閉鎖型ブレイトンサイクルシステム及び方法
【課題】閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの効率を高めるシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】効率が向上した発電方法及びユニット。ブレイトンサイクルユニットは、流れ媒体を加圧するよう構成された多段圧縮機と、多段圧縮機に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器と、第１の熱交換器に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器と、膨張器と圧縮機との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器と、を含む。ユニットを通る流れ媒体の経路は閉じている。第１の段と第２の段との間の少なくとも１つの中間冷却機構は、流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成される。
【解決手段】効率が向上した発電方法及びユニット。ブレイトンサイクルユニットは、流れ媒体を加圧するよう構成された多段圧縮機と、多段圧縮機に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器と、第１の熱交換器に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器と、膨張器と圧縮機との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器と、を含む。ユニットを通る流れ媒体の経路は閉じている。第１の段と第２の段との間の少なくとも１つの中間冷却機構は、流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題の実施形態は、全体的に、方法及びシステムに関し、より詳細には、閉鎖型ブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）サイクルシステムの効率を高めるための機構及び技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年間、ほとんどの航空機へのスラストの提供、発電、その他にガスタービンを使用することが一般的になってきた。ガスタービンは、ブレイトンサイクルで作動し、作動流体（通常は空気）を有する。ガスタービンは、開放又は閉鎖型ブレイトンサイクルを用いることができる。図１は、開放型ブレイトンサイクルに基づいて作動するシステム１０を示す。ステップ１において、圧縮機１２にて外気が提供される。加圧後、ステップ２において、空気が内部燃焼器１４に提供される。同時に、燃料１６が燃焼室１４に噴射されて点火され、加圧空気を加熱する。加熱された後、ステップ３において、燃焼室からの高温高圧のガスがタービン１８に提供される。排気ガスがタービン１８のシャフト２０を回転させ、回転エネルギー２２を生成する。ステップ４において、ここでは低い温度（５００℃）及び圧力を有する排気ガスが大気に吐出される。
【０００３】
この開放サイクルが起こる熱力学プロセスの観点から、圧縮機１２において等エントロピー圧縮２４が起こり、燃焼室１４において定圧熱付加２６が起こり、タービン１８において等エントロピー膨張２８が起こり、更に排気ガスが環境に放出されたときに定圧排熱３０が起こる点に留意されたい。熱力学プロセス２４、２６、２８及び３０は、理想的プロセスであり、すなわち、システム１０の種々の要素における空気は、厳密にはこれらの変換を受けることはないが、理想的変換に近い変換であることは当業者には理解されるであろう。しかしながら、実際のシステムの特徴付けにおいて、実際の変換を近似する理想変換を使用することは当該技術分野において容認される。
【０００４】
開放型ブレイトンサイクルに関連する幾つかの懸念点に対処するため、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムが開発された。閉鎖型ブレイトンサイクルシステム４０は、図２に示される。このシステムは、同じ圧縮機１２及びタービン１８を含むが、燃焼室１４は第１の熱交換器４２により置き換えられ、システム４０を通じて使用される媒体は、第２の熱交換器４４を介して再循環され、すなわち大気へは放出されない。このように、媒体の一部が大気に放出されることはない。しかしながら、この種類のシステムにおいて、第１の熱交換器４２を介して熱が媒体に伝達されるように熱源を設ける必要があり、この熱源は、原子力発電、地熱、太陽、従来型、電気、その他とすることができる。
【０００５】
しかしながら、既存の閉鎖型ブレイトンサイクルシステムは、あまり効率的ではない。従って、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの効率を高めるシステム及び方法を提供することが望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２５８，７２４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
１つの例示的な実施形態によれば、ブレイトンサイクルユニットが提供される。ユニットは、流れ媒体を加圧するよう構成された多段圧縮機と、多段圧縮機に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器と、第１の熱交換器に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器と、膨張器と圧縮機との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器と、を含む。多段圧縮機、第１の熱交換器、膨張器、及び第２の熱交換器を通る流れ媒体の経路は閉じている。多段圧縮機の第１の段と第２の段との間で流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された少なくとも１つの中間冷却機構が第１の段と第２の段との間にある。
【０００８】
更に別の例示的な実施形態によれば、ブレイトンサイクルシステムが提供される。本システムは、閉鎖型ブレイトンサイクルユニットと、閉鎖型ブレイトンサイクルユニットに熱を提供するよう構成された外部供給限回路と、閉鎖型ブレイトンサイクルユニットから熱を除去するよう構成された冷却回路と、を含む。閉鎖型ブレイトンサイクルユニットが、段間の流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された多段圧縮機を含む。
【０００９】
更に別の例示的な実施形態によれば、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの一部である膨張器のシャフトを回転させる方法が提供される。本方法は、多段圧縮機を用いて流れ媒体を加圧する段階と、多段圧縮機の第１及び第２の段の間で少なくとも１つの中間冷却機構を用いて流れ媒体を所定温度まで冷却する段階と、多段圧縮機に流体接続された第１の熱交換器に加圧された流れ媒体を循環する段階と、第１の熱交換器を通過する作動媒体から加圧流れ媒体に熱を伝達する段階と、第１の熱交換器に流体接続された膨張器に加熱された流れ媒体を循環する段階と、膨張器内の加熱された流れ媒体を膨張させ膨張器のシャフトを回転させる段階と、膨張器と多段圧縮機との間に流体接続された第２の熱交換器に膨張流れ媒体を循環する段階と、第２の熱交換器において膨張した流れ媒体から熱を除去する段階と、冷却した流れ媒体を多段圧縮機に戻して循環させる段階と、を含む。
【００１０】
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、１つ又はそれ以上の実施形態を例証しており、本明細書と共にこれらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】開放型ブレイトンサイクルユニットの概略図。
【図２】閉鎖型ブレイトンサイクルユニットの概略図。
【図３】１つの例示的な実施形態による閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの概略図。
【図４】ブルギアを備えた多段圧縮機の概略図。
【図５】１つの例示的な実施形態による閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの概略図。
【図６】１つの例示的な実施形態による閉鎖型ブレイトンサイクルシステムを通る流れ媒体についての圧力対エンタルピー位相空間を示すグラフ。
【図７】１つの例示的な実施形態による発電方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は、同じ又は同様の要素とみなす。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請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、一体式ギア付き圧縮機（以下で検討される技術）及び多段半径方向又は軸方向膨張器を有するシステムの用語及び構造に関して検討する。しかしながら、次に検討されることになる実施形態は、これらのシステムに限定されず、多段圧縮機及び膨張器を閉サイクルで用いる他のシステムにも適用することができる。
【００１３】
本明細書を通して「１つの実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「１つの実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。更に、具体的な特徴、構造、又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態においてあらゆる好適な様態で組み合わせてもよい。
【００１４】
図３に示される例示的な実施形態によれば、新規の閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０は、膨張器６４に流体接続された圧縮機６２を含むことができる。圧縮機６２は多段圧縮機とすることができ、膨張器６４は、多段膨張器とすることができる。１つの応用において、圧縮機６２は、４つの段を有し且つＳＲＬ技術（次に検討する）を使用し、膨張器６４は２段半径方向膨張器である。しかしながら、他のタイプの圧縮機及び膨張器を用いることもできる。
【００１５】
ＳＲＬ又は一体式ギア付き圧縮機（イタリア国フローレンス所在のＮｕｏｖｏ Ｐｉｇｎｏｎｅ Ｓ．ｐ．Ａ製）が、低流量／高圧又は高流量／低圧状態の何れにおいて、幾つかの石油化学用途で使用される。図４に示すこのタイプの圧縮機は、ブルギア６６と、１つから４つの高速ピニオン６８とを有する。１又は２つのインペラ７０は、図４に示すように各ピニオン−シャフト上に装着することができる。中間冷却機構７２は、圧縮機の１つの段から別の段に通過するときに加圧媒体を所望の様態で冷却するために段間に設けることができる。
【００１６】
図３に戻ると、圧縮機６２により加圧される流れ媒体は、システム６０内部の後続の閉鎖経路を辿る。流れ媒体は、圧縮機６２から、復熱器７４、第１の熱交換器７６、膨張器６４、再び復熱器７４、及び第２の熱交換器７８に入って、圧縮機６２に戻る。従って、流れ媒体は、この閉鎖経路内に閉じ込められ、大気又は他の流体を汚染せず、又は相互作用しない。流れ媒体は、ＣＯ2又は高分子密度を有する別の媒体とすることができる。１つの例示的な実施形態において、システム６０は、ＣＯ2がシステム内の位置に関係なく気相のままであり、すなわち、システム６０内で相変化が起きないように設計される。膨張器６４は、電気を生成するため発電ユニット６３に接続することができる。膨張器６４、圧縮機６２、及び発電ユニット６３は、図３に示すように同じシャフト６５を共用することができる。当業者であれば理解されるように、膨張器６４は、必要なエネルギーを提供して作動させるため他の装置（例えば、ポンプ）に接続することができる。
【００１７】
図３には更に２つの回路が示され、次に検討する。第１の熱交換器７６は、外部供給源回路８０からブレイトン閉鎖回路６０の流れ媒体に熱を伝達するよう構成される。１つの例示的な実施形態において、外部供給源回路８０は、入口８２ａにおいて周囲空気を吸収し、出口８２ｂにて加圧空気を出力する圧縮機を含むことができる。この加圧空気を燃焼室８４に提供する前に、加圧空気が熱交換器８６を通って流れて該加圧空気を加熱する。熱源は、燃焼室８４からの排気ガスである。圧縮機８２からの加圧空気の経路８６ａ及び燃焼室８４の経路８６ｂは交差しないが、これら２つの間で熱交換がなされるように分布される点に留意されたい。
【００１８】
次いで、加熱及び加圧された空気は、燃焼室８４に提供され、ここで入口８４ａにおいて燃料が入れられる。加圧空気は、燃料の燃焼によって加熱される。空気、燃料、及び排気ガスの高温の混合気が膨張器８７に流入してエネルギーを発生することができ、或いは、第１の熱交換器７６に直接供給されて、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０において流れ媒体に熱を伝達することができる。排気ガスの熱の一部を除去した後、該排気ガスが熱交換器８６に流入し、出口８６ｃにて大気に廃棄される前に、圧縮機８２からの加圧空気を加熱することができる。排気ガスの温度はおよそ１５０℃とすることができる。
【００１９】
第２の熱交換器７８は、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０における流れ媒体から冷却回路９０に熱を伝達するよう構成される。冷却回路９０は、膨張器６４から流入する流れ媒体から熱を除去するために第２の熱交換器７８を通って循環される作動媒体（例えば、水）を含むことができる。熱はシンク９２（例えば、給水塔）に提供される。
【００２０】
復熱器７４は、少なくとも２つの別個の経路７４ａ及び７４ｂを含み、これらは、圧縮機６２及び膨張器６４からそれぞれ流入する流れ媒体を収容する。復熱器７４は、膨張器から流入する流れ媒体から熱を除去し、当該熱を圧縮機６２から流入する流れ媒体に提供するよう構成される。
【００２１】
閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０の圧力及び温度に関するより具体的な実施例が、図５に示されている。この図は、膨張器６４に到達する前に、圧縮機６２が流れ媒体の圧力を約１ｂａｒから約３５ｂａｒまで増大させ、第１の熱交換器７６が流れ媒体の温度を約１２０℃まで上昇させることを示している。このシステムは、流れ媒体が圧縮機６２の段間で冷却され、外部供給源回路８０内の熱抽出が最大１５０℃にまでなるので、既存のシステムよりも高い効率を示している。１つの応用において、図５に示すシステムの効率は、４９％に達した。
【００２２】
例示的な実施形態において、図６は、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０の流れ媒体（ＣＯ2）におけるＰ−Ｈ線図を示している（Ｐは圧力を示し、Ｈは特定点における流れ媒体のエンタルピーを示す）。上記で検討したように、図６に示す熱力学的変換は理想的なものであり、実際のシステム６０で起こる実変換を近似することが意図されている点は当業者であれば理解されるであろう。しかしながら、これらの理想変換は、実システムの特性の良好な指標である。
【００２３】
図６には種々の点が示されており、これらは、次に説明するように、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０の物理的位置に対応する。１００において、特定の温度（１５℃に近い）及び圧力（１ｂａｒ）で圧縮機６２にＣＯ2が流入することを検討する。ＣＯ2は、第１の段（圧縮機が４つの段を有すると仮定する）の間に１ｂａｒから約４ｂａｒまで加圧され、ＣＯ2は点１０２に到達するようになる。この点では、加圧ＣＯ2の温度は、約７０から１００℃の値に達することができる。点１００と１０２との間のＣＯ2の圧縮は等エントロピーである。ＣＯ2が第１の段から流出すると、第２の段に流入する前に、ステップ１０５において、加圧ＣＯ2が所定温度（例えば、約２５℃）まで冷却される。第１の冷却ステップ１０５は、実質的に一定圧力で点１０２と点１０４との間で起こる。次に、ＣＯ2が圧縮機の第２の段に流入し、ここで圧力は、点１０６に到達したときに、例えば約８ｂａｒまで更に増大する。また、ＣＯ2の温度は、点１０６にて約７０℃から１００℃まで上昇する。ここから、ＣＯ2は、点１０６及び１０８間で起こる第２の冷却ステップ１０７を受ける。ＣＯ2の温度は、およそ所定温度まで再度低下する。圧縮機６２においてＣＯ2の加圧を記述するプロセスは、上下に変動する形状を有するような、圧力対エンタルピーによって定められる位相空間で記述することができる。
【００２４】
ＣＯ2は、点１０８と１１０との間で約１７ｂａｒの圧力まで更に加圧され、更に点１１２及び１１４の間で約３４ｂａｒの最終圧力まで加圧される。第３の段と第４の段との間では、ステップ１１１において点１１０及び１１２間でＣＯ2が再度冷却され、ＣＯ2の温度を所定温度にする。所定温度は、使用媒体、媒体の最終圧力、及びシステムの他のパラメータに依存することができる点に留意されたい。
【００２５】
点１１４に達すると、加圧ＣＯ2が圧縮機６２（図３）から出て、復熱器７４に流入する。復熱器７４内で起こる熱力学的プロセス１１５は、点１１４及び１１６によって境界付けられ、このプロセスの間は実質的に一定の圧力を維持しながら、ＣＯ2の温度が上昇する。更に、点１１６及び１１８により境界付けられる経路１１７に沿ってＣＯ2に熱が加えられ、これは、流れ媒体が第１の熱交換器７６内で加熱されることに相当する。第１の熱交換器７６によって提供される熱は、燃焼室８４において生成される点に留意されたい。
【００２６】
次いで、ＣＯ2が膨張器６４に流入し、対応する熱力学的プロセスは点１１８及び１２０によって境界付けられ、この膨張は等エントロピー膨張である。点１１８における流れ媒体の温度は約１２００℃とすることができ、点１２０での温度は約６００℃とすることができる点に留意されたい。点１２０での流れ媒体の温度を更に下げるため及びエネルギーを更に抽出するために、流れ媒体が復熱器７４に流入し、これは、点１２０及び１２２によって境界付けられる熱回収プロセス１２１に相当する。このプロセス１２１は、実質的に一定の圧力（大気圧付近）で起こる。このプロセスでの温度低下は約５００℃である。しかしながら、他の値を実施することもできる。ＣＯ2は、第２の熱交換器７８を通って再循環させることにより点１２２から点１００（冷却ステップ１２３）まで更に冷却される。この冷却プロセスの間、ＣＯ2の温度及び圧力は、周囲温度及び圧力に達することができ、ＣＯ2を圧縮機に送り戻すことによって新しいサイクルを開始することができる。
【００２７】
中間冷却ステップ１０５、１０７、及び１１１（これよりも多い又は少ないステップを実施してもよい）は、サイクル全体の効率を向上させることを可能にする。例えば、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの稼働、流れ媒体としてのＣＯ2の使用、及びシステムを通じてＣＯ2を気相状態にすることなど、新規の実施形態の他の特徴もまた、サイクル全体の効率を向上させることを可能にする。例示的な実施形態によれば、これら４つの特徴全てを組み合わせることができる。しかしながら、ブレイトンサイクルシステムの効率改善を得るために、必ずしも全ての特徴が必要とされる訳ではない。
【００２８】
図３に示すシステムが外部燃焼室８４（例えば、加熱炉）と共に用いられる場合、この設定の利点は、燃焼用に低グレードの燃料を使用できることである。また、図３に示すシステムは、燃焼室８４からの排気ガスが既存のシステム（約５００℃）よりも低い温度（約１５０℃）で大気に吐出されるので、環境に優しい製品である。この特徴は、一つには、熱交換器８６によって達成される。
【００２９】
次に、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムに基づくエネルギー生成方法を図７に関して検討する。本方法は、多段圧縮機を用いて流れ媒体を加圧するステップ７００と、多段圧縮機の第１及び第２の段の間で少なくとも１つの中間冷却機構を用いて流れ媒体を所定温度まで冷却するステップ７０２と、多段圧縮機に流体接続された第１の熱交換器に加圧された流れ媒体を循環するステップ７０４と、第１の熱交換器を通過する作動媒体から加圧流れ媒体に熱を伝達するステップ７０６と、第１の熱交換器に流体接続された膨張器に加熱された流れ媒体を循環するステップ７０８と、膨張器内の加熱された流れ媒体を膨張させ膨張器のシャフトを回転させるステップ７１０と、膨張器と多段圧縮機との間に流体接続された第２の熱交換器に膨張流れ媒体を循環するステップ７１２と、第２の熱交換器において膨張した流れ媒体から熱を除去するステップ７１４と、冷却した流れ媒体を多段圧縮機に戻して循環させるステップ７１６と、を含む。
【００３０】
開示された例示的な実施形態は、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの効率を向上させるシステム及び方法を提供する。本明細書は本発明を限定することを意図するものではない点を理解されたい。逆に、例示的な実施形態は、添付の請求項によって定義される本発明の技術的思想及び範囲に含まれる、代替形態、修正形態、及び均等形態を保護するものとする。更に、例示的な実施形態の詳細な説明において、請求項に記載された本発明を包括的に理解するために多数の具体的な詳細事項が記載されている。しかしながら、種々の実施形態はこのような具体的な詳細事項がなくとも実施できる点は当業者であれば理解されるであろう。
【００３１】
本発明の例示的な実施形態の特徴及び要素は、特定の組み合わせで実施形態において説明したが、各特徴又は要素は、実施形態の他の特徴及び要素を伴わず単独で、或いは本明細書で開示される他の特徴及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。
【００３２】
本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３３】
６０ 閉鎖型ブレイトンサイクルシステム
６４ 膨張器
６３ 発電ユニット
６２ 圧縮機
６５ シャフト
６６ ブルギア
６８ 高速ピニオン
７０ インペラ
７２ 中間冷却機構
７４ 復熱器
７４ａ、７４ｂ 経路
７６ 第１の熱交換器
７８ 第２の熱交換器
８０ 外部供給源回路
８２ａ 入口
８２ｂ 出口
８４ 燃焼室
８６ 熱交換器
８６ａ 経路
８６ｂ 経路
８４ａ 入口
８６ｃ 出口
８７ 膨張器
９０ 冷却回路
９２ シンク
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題の実施形態は、全体的に、方法及びシステムに関し、より詳細には、閉鎖型ブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）サイクルシステムの効率を高めるための機構及び技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年間、ほとんどの航空機へのスラストの提供、発電、その他にガスタービンを使用することが一般的になってきた。ガスタービンは、ブレイトンサイクルで作動し、作動流体（通常は空気）を有する。ガスタービンは、開放又は閉鎖型ブレイトンサイクルを用いることができる。図１は、開放型ブレイトンサイクルに基づいて作動するシステム１０を示す。ステップ１において、圧縮機１２にて外気が提供される。加圧後、ステップ２において、空気が内部燃焼器１４に提供される。同時に、燃料１６が燃焼室１４に噴射されて点火され、加圧空気を加熱する。加熱された後、ステップ３において、燃焼室からの高温高圧のガスがタービン１８に提供される。排気ガスがタービン１８のシャフト２０を回転させ、回転エネルギー２２を生成する。ステップ４において、ここでは低い温度（５００℃）及び圧力を有する排気ガスが大気に吐出される。
【０００３】
この開放サイクルが起こる熱力学プロセスの観点から、圧縮機１２において等エントロピー圧縮２４が起こり、燃焼室１４において定圧熱付加２６が起こり、タービン１８において等エントロピー膨張２８が起こり、更に排気ガスが環境に放出されたときに定圧排熱３０が起こる点に留意されたい。熱力学プロセス２４、２６、２８及び３０は、理想的プロセスであり、すなわち、システム１０の種々の要素における空気は、厳密にはこれらの変換を受けることはないが、理想的変換に近い変換であることは当業者には理解されるであろう。しかしながら、実際のシステムの特徴付けにおいて、実際の変換を近似する理想変換を使用することは当該技術分野において容認される。
【０００４】
開放型ブレイトンサイクルに関連する幾つかの懸念点に対処するため、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムが開発された。閉鎖型ブレイトンサイクルシステム４０は、図２に示される。このシステムは、同じ圧縮機１２及びタービン１８を含むが、燃焼室１４は第１の熱交換器４２により置き換えられ、システム４０を通じて使用される媒体は、第２の熱交換器４４を介して再循環され、すなわち大気へは放出されない。このように、媒体の一部が大気に放出されることはない。しかしながら、この種類のシステムにおいて、第１の熱交換器４２を介して熱が媒体に伝達されるように熱源を設ける必要があり、この熱源は、原子力発電、地熱、太陽、従来型、電気、その他とすることができる。
【０００５】
しかしながら、既存の閉鎖型ブレイトンサイクルシステムは、あまり効率的ではない。従って、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの効率を高めるシステム及び方法を提供することが望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２５８，７２４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
１つの例示的な実施形態によれば、ブレイトンサイクルユニットが提供される。ユニットは、流れ媒体を加圧するよう構成された多段圧縮機と、多段圧縮機に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器と、第１の熱交換器に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器と、膨張器と圧縮機との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器と、を含む。多段圧縮機、第１の熱交換器、膨張器、及び第２の熱交換器を通る流れ媒体の経路は閉じている。多段圧縮機の第１の段と第２の段との間で流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された少なくとも１つの中間冷却機構が第１の段と第２の段との間にある。
【０００８】
更に別の例示的な実施形態によれば、ブレイトンサイクルシステムが提供される。本システムは、閉鎖型ブレイトンサイクルユニットと、閉鎖型ブレイトンサイクルユニットに熱を提供するよう構成された外部供給限回路と、閉鎖型ブレイトンサイクルユニットから熱を除去するよう構成された冷却回路と、を含む。閉鎖型ブレイトンサイクルユニットが、段間の流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された多段圧縮機を含む。
【０００９】
更に別の例示的な実施形態によれば、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの一部である膨張器のシャフトを回転させる方法が提供される。本方法は、多段圧縮機を用いて流れ媒体を加圧する段階と、多段圧縮機の第１及び第２の段の間で少なくとも１つの中間冷却機構を用いて流れ媒体を所定温度まで冷却する段階と、多段圧縮機に流体接続された第１の熱交換器に加圧された流れ媒体を循環する段階と、第１の熱交換器を通過する作動媒体から加圧流れ媒体に熱を伝達する段階と、第１の熱交換器に流体接続された膨張器に加熱された流れ媒体を循環する段階と、膨張器内の加熱された流れ媒体を膨張させ膨張器のシャフトを回転させる段階と、膨張器と多段圧縮機との間に流体接続された第２の熱交換器に膨張流れ媒体を循環する段階と、第２の熱交換器において膨張した流れ媒体から熱を除去する段階と、冷却した流れ媒体を多段圧縮機に戻して循環させる段階と、を含む。
【００１０】
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、１つ又はそれ以上の実施形態を例証しており、本明細書と共にこれらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】開放型ブレイトンサイクルユニットの概略図。
【図２】閉鎖型ブレイトンサイクルユニットの概略図。
【図３】１つの例示的な実施形態による閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの概略図。
【図４】ブルギアを備えた多段圧縮機の概略図。
【図５】１つの例示的な実施形態による閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの概略図。
【図６】１つの例示的な実施形態による閉鎖型ブレイトンサイクルシステムを通る流れ媒体についての圧力対エンタルピー位相空間を示すグラフ。
【図７】１つの例示的な実施形態による発電方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は、同じ又は同様の要素とみなす。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請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、一体式ギア付き圧縮機（以下で検討される技術）及び多段半径方向又は軸方向膨張器を有するシステムの用語及び構造に関して検討する。しかしながら、次に検討されることになる実施形態は、これらのシステムに限定されず、多段圧縮機及び膨張器を閉サイクルで用いる他のシステムにも適用することができる。
【００１３】
本明細書を通して「１つの実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「１つの実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。更に、具体的な特徴、構造、又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態においてあらゆる好適な様態で組み合わせてもよい。
【００１４】
図３に示される例示的な実施形態によれば、新規の閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０は、膨張器６４に流体接続された圧縮機６２を含むことができる。圧縮機６２は多段圧縮機とすることができ、膨張器６４は、多段膨張器とすることができる。１つの応用において、圧縮機６２は、４つの段を有し且つＳＲＬ技術（次に検討する）を使用し、膨張器６４は２段半径方向膨張器である。しかしながら、他のタイプの圧縮機及び膨張器を用いることもできる。
【００１５】
ＳＲＬ又は一体式ギア付き圧縮機（イタリア国フローレンス所在のＮｕｏｖｏ Ｐｉｇｎｏｎｅ Ｓ．ｐ．Ａ製）が、低流量／高圧又は高流量／低圧状態の何れにおいて、幾つかの石油化学用途で使用される。図４に示すこのタイプの圧縮機は、ブルギア６６と、１つから４つの高速ピニオン６８とを有する。１又は２つのインペラ７０は、図４に示すように各ピニオン−シャフト上に装着することができる。中間冷却機構７２は、圧縮機の１つの段から別の段に通過するときに加圧媒体を所望の様態で冷却するために段間に設けることができる。
【００１６】
図３に戻ると、圧縮機６２により加圧される流れ媒体は、システム６０内部の後続の閉鎖経路を辿る。流れ媒体は、圧縮機６２から、復熱器７４、第１の熱交換器７６、膨張器６４、再び復熱器７４、及び第２の熱交換器７８に入って、圧縮機６２に戻る。従って、流れ媒体は、この閉鎖経路内に閉じ込められ、大気又は他の流体を汚染せず、又は相互作用しない。流れ媒体は、ＣＯ2又は高分子密度を有する別の媒体とすることができる。１つの例示的な実施形態において、システム６０は、ＣＯ2がシステム内の位置に関係なく気相のままであり、すなわち、システム６０内で相変化が起きないように設計される。膨張器６４は、電気を生成するため発電ユニット６３に接続することができる。膨張器６４、圧縮機６２、及び発電ユニット６３は、図３に示すように同じシャフト６５を共用することができる。当業者であれば理解されるように、膨張器６４は、必要なエネルギーを提供して作動させるため他の装置（例えば、ポンプ）に接続することができる。
【００１７】
図３には更に２つの回路が示され、次に検討する。第１の熱交換器７６は、外部供給源回路８０からブレイトン閉鎖回路６０の流れ媒体に熱を伝達するよう構成される。１つの例示的な実施形態において、外部供給源回路８０は、入口８２ａにおいて周囲空気を吸収し、出口８２ｂにて加圧空気を出力する圧縮機を含むことができる。この加圧空気を燃焼室８４に提供する前に、加圧空気が熱交換器８６を通って流れて該加圧空気を加熱する。熱源は、燃焼室８４からの排気ガスである。圧縮機８２からの加圧空気の経路８６ａ及び燃焼室８４の経路８６ｂは交差しないが、これら２つの間で熱交換がなされるように分布される点に留意されたい。
【００１８】
次いで、加熱及び加圧された空気は、燃焼室８４に提供され、ここで入口８４ａにおいて燃料が入れられる。加圧空気は、燃料の燃焼によって加熱される。空気、燃料、及び排気ガスの高温の混合気が膨張器８７に流入してエネルギーを発生することができ、或いは、第１の熱交換器７６に直接供給されて、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０において流れ媒体に熱を伝達することができる。排気ガスの熱の一部を除去した後、該排気ガスが熱交換器８６に流入し、出口８６ｃにて大気に廃棄される前に、圧縮機８２からの加圧空気を加熱することができる。排気ガスの温度はおよそ１５０℃とすることができる。
【００１９】
第２の熱交換器７８は、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０における流れ媒体から冷却回路９０に熱を伝達するよう構成される。冷却回路９０は、膨張器６４から流入する流れ媒体から熱を除去するために第２の熱交換器７８を通って循環される作動媒体（例えば、水）を含むことができる。熱はシンク９２（例えば、給水塔）に提供される。
【００２０】
復熱器７４は、少なくとも２つの別個の経路７４ａ及び７４ｂを含み、これらは、圧縮機６２及び膨張器６４からそれぞれ流入する流れ媒体を収容する。復熱器７４は、膨張器から流入する流れ媒体から熱を除去し、当該熱を圧縮機６２から流入する流れ媒体に提供するよう構成される。
【００２１】
閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０の圧力及び温度に関するより具体的な実施例が、図５に示されている。この図は、膨張器６４に到達する前に、圧縮機６２が流れ媒体の圧力を約１ｂａｒから約３５ｂａｒまで増大させ、第１の熱交換器７６が流れ媒体の温度を約１２０℃まで上昇させることを示している。このシステムは、流れ媒体が圧縮機６２の段間で冷却され、外部供給源回路８０内の熱抽出が最大１５０℃にまでなるので、既存のシステムよりも高い効率を示している。１つの応用において、図５に示すシステムの効率は、４９％に達した。
【００２２】
例示的な実施形態において、図６は、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０の流れ媒体（ＣＯ2）におけるＰ−Ｈ線図を示している（Ｐは圧力を示し、Ｈは特定点における流れ媒体のエンタルピーを示す）。上記で検討したように、図６に示す熱力学的変換は理想的なものであり、実際のシステム６０で起こる実変換を近似することが意図されている点は当業者であれば理解されるであろう。しかしながら、これらの理想変換は、実システムの特性の良好な指標である。
【００２３】
図６には種々の点が示されており、これらは、次に説明するように、閉鎖型ブレイトンサイクルシステム６０の物理的位置に対応する。１００において、特定の温度（１５℃に近い）及び圧力（１ｂａｒ）で圧縮機６２にＣＯ2が流入することを検討する。ＣＯ2は、第１の段（圧縮機が４つの段を有すると仮定する）の間に１ｂａｒから約４ｂａｒまで加圧され、ＣＯ2は点１０２に到達するようになる。この点では、加圧ＣＯ2の温度は、約７０から１００℃の値に達することができる。点１００と１０２との間のＣＯ2の圧縮は等エントロピーである。ＣＯ2が第１の段から流出すると、第２の段に流入する前に、ステップ１０５において、加圧ＣＯ2が所定温度（例えば、約２５℃）まで冷却される。第１の冷却ステップ１０５は、実質的に一定圧力で点１０２と点１０４との間で起こる。次に、ＣＯ2が圧縮機の第２の段に流入し、ここで圧力は、点１０６に到達したときに、例えば約８ｂａｒまで更に増大する。また、ＣＯ2の温度は、点１０６にて約７０℃から１００℃まで上昇する。ここから、ＣＯ2は、点１０６及び１０８間で起こる第２の冷却ステップ１０７を受ける。ＣＯ2の温度は、およそ所定温度まで再度低下する。圧縮機６２においてＣＯ2の加圧を記述するプロセスは、上下に変動する形状を有するような、圧力対エンタルピーによって定められる位相空間で記述することができる。
【００２４】
ＣＯ2は、点１０８と１１０との間で約１７ｂａｒの圧力まで更に加圧され、更に点１１２及び１１４の間で約３４ｂａｒの最終圧力まで加圧される。第３の段と第４の段との間では、ステップ１１１において点１１０及び１１２間でＣＯ2が再度冷却され、ＣＯ2の温度を所定温度にする。所定温度は、使用媒体、媒体の最終圧力、及びシステムの他のパラメータに依存することができる点に留意されたい。
【００２５】
点１１４に達すると、加圧ＣＯ2が圧縮機６２（図３）から出て、復熱器７４に流入する。復熱器７４内で起こる熱力学的プロセス１１５は、点１１４及び１１６によって境界付けられ、このプロセスの間は実質的に一定の圧力を維持しながら、ＣＯ2の温度が上昇する。更に、点１１６及び１１８により境界付けられる経路１１７に沿ってＣＯ2に熱が加えられ、これは、流れ媒体が第１の熱交換器７６内で加熱されることに相当する。第１の熱交換器７６によって提供される熱は、燃焼室８４において生成される点に留意されたい。
【００２６】
次いで、ＣＯ2が膨張器６４に流入し、対応する熱力学的プロセスは点１１８及び１２０によって境界付けられ、この膨張は等エントロピー膨張である。点１１８における流れ媒体の温度は約１２００℃とすることができ、点１２０での温度は約６００℃とすることができる点に留意されたい。点１２０での流れ媒体の温度を更に下げるため及びエネルギーを更に抽出するために、流れ媒体が復熱器７４に流入し、これは、点１２０及び１２２によって境界付けられる熱回収プロセス１２１に相当する。このプロセス１２１は、実質的に一定の圧力（大気圧付近）で起こる。このプロセスでの温度低下は約５００℃である。しかしながら、他の値を実施することもできる。ＣＯ2は、第２の熱交換器７８を通って再循環させることにより点１２２から点１００（冷却ステップ１２３）まで更に冷却される。この冷却プロセスの間、ＣＯ2の温度及び圧力は、周囲温度及び圧力に達することができ、ＣＯ2を圧縮機に送り戻すことによって新しいサイクルを開始することができる。
【００２７】
中間冷却ステップ１０５、１０７、及び１１１（これよりも多い又は少ないステップを実施してもよい）は、サイクル全体の効率を向上させることを可能にする。例えば、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの稼働、流れ媒体としてのＣＯ2の使用、及びシステムを通じてＣＯ2を気相状態にすることなど、新規の実施形態の他の特徴もまた、サイクル全体の効率を向上させることを可能にする。例示的な実施形態によれば、これら４つの特徴全てを組み合わせることができる。しかしながら、ブレイトンサイクルシステムの効率改善を得るために、必ずしも全ての特徴が必要とされる訳ではない。
【００２８】
図３に示すシステムが外部燃焼室８４（例えば、加熱炉）と共に用いられる場合、この設定の利点は、燃焼用に低グレードの燃料を使用できることである。また、図３に示すシステムは、燃焼室８４からの排気ガスが既存のシステム（約５００℃）よりも低い温度（約１５０℃）で大気に吐出されるので、環境に優しい製品である。この特徴は、一つには、熱交換器８６によって達成される。
【００２９】
次に、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムに基づくエネルギー生成方法を図７に関して検討する。本方法は、多段圧縮機を用いて流れ媒体を加圧するステップ７００と、多段圧縮機の第１及び第２の段の間で少なくとも１つの中間冷却機構を用いて流れ媒体を所定温度まで冷却するステップ７０２と、多段圧縮機に流体接続された第１の熱交換器に加圧された流れ媒体を循環するステップ７０４と、第１の熱交換器を通過する作動媒体から加圧流れ媒体に熱を伝達するステップ７０６と、第１の熱交換器に流体接続された膨張器に加熱された流れ媒体を循環するステップ７０８と、膨張器内の加熱された流れ媒体を膨張させ膨張器のシャフトを回転させるステップ７１０と、膨張器と多段圧縮機との間に流体接続された第２の熱交換器に膨張流れ媒体を循環するステップ７１２と、第２の熱交換器において膨張した流れ媒体から熱を除去するステップ７１４と、冷却した流れ媒体を多段圧縮機に戻して循環させるステップ７１６と、を含む。
【００３０】
開示された例示的な実施形態は、閉鎖型ブレイトンサイクルシステムの効率を向上させるシステム及び方法を提供する。本明細書は本発明を限定することを意図するものではない点を理解されたい。逆に、例示的な実施形態は、添付の請求項によって定義される本発明の技術的思想及び範囲に含まれる、代替形態、修正形態、及び均等形態を保護するものとする。更に、例示的な実施形態の詳細な説明において、請求項に記載された本発明を包括的に理解するために多数の具体的な詳細事項が記載されている。しかしながら、種々の実施形態はこのような具体的な詳細事項がなくとも実施できる点は当業者であれば理解されるであろう。
【００３１】
本発明の例示的な実施形態の特徴及び要素は、特定の組み合わせで実施形態において説明したが、各特徴又は要素は、実施形態の他の特徴及び要素を伴わず単独で、或いは本明細書で開示される他の特徴及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。
【００３２】
本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３３】
６０ 閉鎖型ブレイトンサイクルシステム
６４ 膨張器
６３ 発電ユニット
６２ 圧縮機
６５ シャフト
６６ ブルギア
６８ 高速ピニオン
７０ インペラ
７２ 中間冷却機構
７４ 復熱器
７４ａ、７４ｂ 経路
７６ 第１の熱交換器
７８ 第２の熱交換器
８０ 外部供給源回路
８２ａ 入口
８２ｂ 出口
８４ 燃焼室
８６ 熱交換器
８６ａ 経路
８６ｂ 経路
８４ａ 入口
８６ｃ 出口
８７ 膨張器
９０ 冷却回路
９２ シンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレイトンサイクルユニット（６０）であって、
流れ媒体を加圧するよう構成された多段圧縮機（６２）と、
前記多段圧縮機（６２）に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器（７６）と、
前記第１の熱交換器（７６）に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器（６４）と、
前記膨張器（６４）と前記圧縮機（６２）との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器（７８）と、
を備え、
前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通る流れ媒体の経路が閉じており、前記多段圧縮機（６２）の第１の段と第２の段との間で流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された少なくとも１つの中間冷却機構（７２）が前記第１の段と第２の段との間にある、ブレイトンサイクルユニット。
【請求項２】
前記多段圧縮機（６２）が、４つの段と、隣接する段の各ペアの間に３つの中間冷却機構とを有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
前記多段圧縮機（６２）を前記第１の熱交換器（７６）に流体接続する第１の経路（７４ａ）と、前記膨張器（６４）を前記第２の熱交換器（７８）に流体接続する第２の経路（７４ｂ）とを有し、膨張した流れ媒体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された復熱器（７４）を更に備える、請求項１に記載のユニット。
【請求項４】
外部供給源回路（８０）を更に備え、
該外部供給源回路（８０）が、
空気を加圧して、空気及び燃料を受け取り且つ混合気を燃焼させて排気ガスを前記第１の熱交換器（７６）を通る経路に提供するよう構成された外部燃焼室（８４）に前記加圧した空気を提供するよう構成された圧縮機（８２）と、
前記第１の熱交換器（７６）から流入する排気ガスを冷却するよう構成された熱交換器（８６）と、
を含み、前記第１の熱交換器（７６）が分割され、空気、燃料、及び排気ガスが前記流れ媒体から分離されるようにする、請求項１に記載のユニット。
【請求項５】
前記流れ媒体が二酸化炭素である、請求項１に記載のユニット。
【請求項６】
前記二酸化炭素が、前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通じて気相状態にある、請求項５に記載のユニット。
【請求項７】
前記流れ媒体は、前記多段圧縮機（６２）を通って加圧され、前記第１の熱交換器（７６）において加熱され、前記膨張器（６４）において膨張され、及び前記第２の熱交換器（７８）において冷却されているときに気相状態である、請求項１に記載のユニット。
【請求項８】
前記少なくとも１つの中間冷却機構（７２）が、実質的に一定の圧力及び減少エンタルピーで流れ媒体を冷却するよう構成される、請求項１に記載のユニット。
【請求項９】
前記流れ媒体が二酸化炭素であり、該二酸化炭素が気相状態であり、前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通じて気相状態を維持し、前記多段圧縮機（６２）が４つの段と４つのピニオンを備えたブルギアとを有し、各ピニオンが前記段のうちの１つにおけるインペラを作動させ、前記膨張器（６４）が２段膨張器である、請求項１に記載のユニット。
【請求項１０】
前記多段圧縮機（６２）を通じた圧縮プロセスが、圧力対エンタルピー状態空間でプロットしたときに上下に変動する形状を有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項１１】
ブレイトンサイクルシステムであって、
閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）と、
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）に熱を提供するよう構成された外部供給限回路（８０）と、
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）から熱を除去するよう構成された冷却回路（９０）と、
を備え、
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）が、段間の流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された多段圧縮機（６２）を含む、システム。
【請求項１２】
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）が更に、
前記多段圧縮機（６２）に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器（７６）と、
前記第１の熱交換器（７６）に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器（６４）と、
前記膨張器（６４）と前記圧縮機（６２）との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器（７８）と、
を備え、
前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通る流れ媒体の経路が閉じており、前記多段圧縮機（６２）の第１の段と第２の段との間で流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された少なくとも１つの中間冷却機構（７２）が前記第１の段と第２の段との間にある、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記多段圧縮機（６２）が、４つの段と、隣接する段の各ペアの間に３つの中間冷却機構とを有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記多段圧縮機（６２）を前記第１の熱交換器（７６）に流体接続する第１の経路（７４ａ）と、前記膨張器（６４）を前記第２の熱交換器（７８）に流体接続する第２の経路（７４ｂ）とを有し、膨張した流れ媒体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された復熱器（７４）と、
空気を加圧して、空気及び燃料を受け取り且つ混合気を燃焼させて排気ガスを前記第１の熱交換器（７６）を通る経路に提供するよう構成された外部燃焼室（８４）に前記加圧した空気を提供するよう構成された圧縮機（８２）と、
前記第１の熱交換器（７６）から流入する排気ガスを冷却するよう構成された熱交換器（８６）と、
を更に備え、
前記第１の熱交換器（７６）が分割され、空気、燃料、及び排気ガスが前記流れ媒体から分離されるようにする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
閉鎖型ブレイトンサイクルシステム（６０）の一部である膨張器（６４）のシャフトを回転させる方法であって、
多段圧縮機（６２）を用いて流れ媒体を加圧する段階と、
前記多段圧縮機（６２）の第１及び第２の段の間で少なくとも１つの中間冷却機構（７２）を用いて前記流れ媒体を所定温度まで冷却する段階と、
前記多段圧縮機（６２）に流体接続された第１の熱交換器（７６）に前記加圧された流れ媒体を循環する段階と、
前記第１の熱交換器（７６）を通過する作動媒体から前記加圧流れ媒体に熱を伝達する段階と、
前記第１の熱交換器（７６）に流体接続された膨張器（６４）に前記加熱された流れ媒体を循環する段階と、
前記膨張器（６４）内の前記加熱された流れ媒体を膨張させ前記膨張器（６４）のシャフトを回転させる段階と、
前記膨張器（６４）と前記多段圧縮機（６２）との間に流体接続された第２の熱交換器（７８）に前記膨張流れ媒体を循環する段階と、
前記第２の熱交換器（７８）において前記膨張した流れ媒体から熱を除去する段階と、
前記冷却した流れ媒体を前記多段圧縮機（６２）に戻して循環させる段階と、
を含む、方法。
【請求項１】
ブレイトンサイクルユニット（６０）であって、
流れ媒体を加圧するよう構成された多段圧縮機（６２）と、
前記多段圧縮機（６２）に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器（７６）と、
前記第１の熱交換器（７６）に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器（６４）と、
前記膨張器（６４）と前記圧縮機（６２）との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器（７８）と、
を備え、
前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通る流れ媒体の経路が閉じており、前記多段圧縮機（６２）の第１の段と第２の段との間で流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された少なくとも１つの中間冷却機構（７２）が前記第１の段と第２の段との間にある、ブレイトンサイクルユニット。
【請求項２】
前記多段圧縮機（６２）が、４つの段と、隣接する段の各ペアの間に３つの中間冷却機構とを有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
前記多段圧縮機（６２）を前記第１の熱交換器（７６）に流体接続する第１の経路（７４ａ）と、前記膨張器（６４）を前記第２の熱交換器（７８）に流体接続する第２の経路（７４ｂ）とを有し、膨張した流れ媒体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された復熱器（７４）を更に備える、請求項１に記載のユニット。
【請求項４】
外部供給源回路（８０）を更に備え、
該外部供給源回路（８０）が、
空気を加圧して、空気及び燃料を受け取り且つ混合気を燃焼させて排気ガスを前記第１の熱交換器（７６）を通る経路に提供するよう構成された外部燃焼室（８４）に前記加圧した空気を提供するよう構成された圧縮機（８２）と、
前記第１の熱交換器（７６）から流入する排気ガスを冷却するよう構成された熱交換器（８６）と、
を含み、前記第１の熱交換器（７６）が分割され、空気、燃料、及び排気ガスが前記流れ媒体から分離されるようにする、請求項１に記載のユニット。
【請求項５】
前記流れ媒体が二酸化炭素である、請求項１に記載のユニット。
【請求項６】
前記二酸化炭素が、前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通じて気相状態にある、請求項５に記載のユニット。
【請求項７】
前記流れ媒体は、前記多段圧縮機（６２）を通って加圧され、前記第１の熱交換器（７６）において加熱され、前記膨張器（６４）において膨張され、及び前記第２の熱交換器（７８）において冷却されているときに気相状態である、請求項１に記載のユニット。
【請求項８】
前記少なくとも１つの中間冷却機構（７２）が、実質的に一定の圧力及び減少エンタルピーで流れ媒体を冷却するよう構成される、請求項１に記載のユニット。
【請求項９】
前記流れ媒体が二酸化炭素であり、該二酸化炭素が気相状態であり、前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通じて気相状態を維持し、前記多段圧縮機（６２）が４つの段と４つのピニオンを備えたブルギアとを有し、各ピニオンが前記段のうちの１つにおけるインペラを作動させ、前記膨張器（６４）が２段膨張器である、請求項１に記載のユニット。
【請求項１０】
前記多段圧縮機（６２）を通じた圧縮プロセスが、圧力対エンタルピー状態空間でプロットしたときに上下に変動する形状を有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項１１】
ブレイトンサイクルシステムであって、
閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）と、
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）に熱を提供するよう構成された外部供給限回路（８０）と、
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）から熱を除去するよう構成された冷却回路（９０）と、
を備え、
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）が、段間の流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された多段圧縮機（６２）を含む、システム。
【請求項１２】
前記閉鎖型ブレイトンサイクルユニット（６０）が更に、
前記多段圧縮機（６２）に流体接続され、通過する作動流体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された第１の熱交換器（７６）と、
前記第１の熱交換器（７６）に流体接続され、加熱された流れ媒体を膨張させてシャフトの回転をもたらす膨張器（６４）と、
前記膨張器（６４）と前記圧縮機（６２）との間に流体接続され、膨張した流れ媒体から熱を除去するよう構成された第２の熱交換器（７８）と、
を備え、
前記多段圧縮機（６２）、前記第１の熱交換器（７６）、前記膨張器（６４）、及び前記第２の熱交換器（７８）を通る流れ媒体の経路が閉じており、前記多段圧縮機（６２）の第１の段と第２の段との間で流れ媒体を所定温度まで冷却するよう構成された少なくとも１つの中間冷却機構（７２）が前記第１の段と第２の段との間にある、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記多段圧縮機（６２）が、４つの段と、隣接する段の各ペアの間に３つの中間冷却機構とを有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記多段圧縮機（６２）を前記第１の熱交換器（７６）に流体接続する第１の経路（７４ａ）と、前記膨張器（６４）を前記第２の熱交換器（７８）に流体接続する第２の経路（７４ｂ）とを有し、膨張した流れ媒体から加圧された流れ媒体に熱を伝達するよう構成された復熱器（７４）と、
空気を加圧して、空気及び燃料を受け取り且つ混合気を燃焼させて排気ガスを前記第１の熱交換器（７６）を通る経路に提供するよう構成された外部燃焼室（８４）に前記加圧した空気を提供するよう構成された圧縮機（８２）と、
前記第１の熱交換器（７６）から流入する排気ガスを冷却するよう構成された熱交換器（８６）と、
を更に備え、
前記第１の熱交換器（７６）が分割され、空気、燃料、及び排気ガスが前記流れ媒体から分離されるようにする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
閉鎖型ブレイトンサイクルシステム（６０）の一部である膨張器（６４）のシャフトを回転させる方法であって、
多段圧縮機（６２）を用いて流れ媒体を加圧する段階と、
前記多段圧縮機（６２）の第１及び第２の段の間で少なくとも１つの中間冷却機構（７２）を用いて前記流れ媒体を所定温度まで冷却する段階と、
前記多段圧縮機（６２）に流体接続された第１の熱交換器（７６）に前記加圧された流れ媒体を循環する段階と、
前記第１の熱交換器（７６）を通過する作動媒体から前記加圧流れ媒体に熱を伝達する段階と、
前記第１の熱交換器（７６）に流体接続された膨張器（６４）に前記加熱された流れ媒体を循環する段階と、
前記膨張器（６４）内の前記加熱された流れ媒体を膨張させ前記膨張器（６４）のシャフトを回転させる段階と、
前記膨張器（６４）と前記多段圧縮機（６２）との間に流体接続された第２の熱交換器（７８）に前記膨張流れ媒体を循環する段階と、
前記第２の熱交換器（７８）において前記膨張した流れ媒体から熱を除去する段階と、
前記冷却した流れ媒体を前記多段圧縮機（６２）に戻して循環させる段階と、
を含む、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４１９２７（Ｐ２０１２−４１９２７Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４４５７（Ｐ２０１１−１７４４５７）
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（５０５３４７５０３）ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ (112)
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（５０５３４７５０３）ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ (112)
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