(57)【要約】廃熱源（例えば、小規模の産業施設からの高温廃液、自動車用内燃機関など）からエネルギを取り出すためのエネルギ回収システムであって、このシステムは循環作動流体を有するクローズドランキンサイクルである。このシステムは、第１の温度で熱源流体を受け取り、廃熱を取り入れて、第２の温度で前記廃液を排出し、第３の温度で前記作動流体を受け取り、第４の温度で作動流体を排出するための熱交換器であって、前記第４の温度は前記第３の温度よりも高くかつ作動流体の沸点よりも高い、第１の熱交換器と、第１の圧力で第１の熱交換器から排出された作動流体を受け取り、第２の圧力で作動流体を排出するように配置されたタービンユニットであって、前記第２の圧力は第１の圧力よりも低く、それによってタービンユニットがタービンユニット内に載置されたタービン軸に回転エネルギを与える、タービンユニットと、タービン軸に接続され、前記回転エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換ユニット（交流発電機を含む）と、タービンユニットおよび第１の熱交換器に接続され、第５の温度でタービンユニットからの作動流体を受け取り、この流体を冷却して前記第３の温度で第１の熱交換器にこの流体を供給する冷却システムとを備える。交流発電機の出力を制御する技術も開示する。また、特殊タービン、ベアリング、トルク連結器、出力制御および作動流体精製技術も開示する。【選択図】【図１ａ】
2007503546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から電気エネルギを取り出すエネルギ回収システムであって、前記システムは循環作動流体を有し、
前記熱源からの熱の少なくとも一部を取り入れる熱源流体を受け取ると共に、前記熱源流体から前記作動流体に熱が伝達されるように前記作動流体を受け取る第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器から排出される前記作動流体を受け取るように配される膨張ユニットであって、それによって機械的エネルギを該膨張ユニットに与える、膨張ユニットと、
前記膨張ユニットに接続され、前記機械的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換ユニットと、
前記膨張ユニットおよび前記第１の熱交換器に接続され、前記膨張ユニットからの前記作動流体を受け取り、前記流体を冷却し、前記第１の熱交換器に前記流体を供給する冷却システムと、
を備える、前記エネルギ回収システム。
【請求項２】
前記システムが、循環作動流体を有するクローズドシステムであって、
前記第１の熱交換器が第１の温度で熱源流体を受け取り、その熱を取り入れて、第２の温度で前記廃液を排出し、第３の温度で前記作動流体を受け取り、第４の温度で前記作動流体を排出するように構成され、前記第４の温度は前記第３の温度よりも高くかつ前記作動流体の沸点よりも高く、
前記膨張ユニットは、第１の圧力で前記第１の熱交換器から排出された前記作動流体を受け取ると共に、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記作動流体を排出するように構成されるタービンユニットを備え、該タービンユニットは、それによって該タービンユニット内に載置されたタービン軸に回転エネルギを与え、
前記電気機械変化ユニットは、前記タービン軸に接続され、前記回転エネルギを電気エネルギに変換する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記冷却システムが、前記タービンユニットおよび前記第１の熱交換器に接続され、前記第５の温度で前記タービンユニットからの第１の作動流体供給を受け、第６の温度で前記第１の供給からの作動流体を排出し、前記第６の温度が前記第５の温度よりも低い、第２の熱交換器を含み、
前記第２の熱交換器は、第７の温度で液状の第２の作動流体供給を受け取るように、および前記第３の温度で前記第１の熱交換器に液状の前記第２の供給からの作動流体を排出するように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記冷却システムが、前記第２の熱交換器に接続され、冷却液供給を受け取るように構成され、前記第６の温度で前記第２の熱交換器から排出された前記作動流体を受け取り、前記第７の温度で液状の作動流体を排出し、前記第７の温度が前記第６の温度よりも低くかつ前記作動流体の沸点よりも高い、凝縮ユニットをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記冷却システムが、前記冷却ユニットに接続され、前記第７の温度で前記液状の作動流体を受け取り、前記液状の作動流体を前記第２の熱交換器に送り込み、それによって前記第２の作動流体供給を前記第２の熱交換器に提供するポンプを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の温度が、約１１０乃至約２２５℃である、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記第２の温度が、約８０乃至約１４０℃である、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の温度が約１８０℃であり、前記第２の温度が約１２３℃である、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の圧力が絶対圧力約１０乃至３０ｂａｒである、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２の圧力が絶対圧力約０．５乃至２ｂａｒである、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記タービン軸が、前記タービンユニット内のベアリングに載置され、前記作動流体が前記タービンユニットに浸透し、それによって前記ベアリングを潤滑する、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記作動流体が、アルカン類から選択された単一成分の流体を含む、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記作動流体が、沸点約３０乃至１１０℃の流体からなる、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電気機械変換ユニットが、電流を出力するように構成される交流発電機を含む、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電気機械変換ユニットが、前記交流発電機に接続され、前記交流発電機から受け取った電流の周波数を変更し、幹線周波数で出力する電気調整ユニットを含む、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記膨張ユニットが、軸およびその上に載置された少なくとも１つのタービンステージを有し、前記タービンステージの１つまたはそれぞれが一組の羽根を組み込んだタービンユニットを備える、上記いずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのタービンステージが、アルミニウムまたはスチール製である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのタービンステージが、プラスチック材料製である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記プラスチック材料が、例えば４０％の炭素繊維を含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの、（ａ）炭素繊維を含むＰＥＥＫ、（ｂ）Ｕｌｔｅｒｎ２４００、または（ｃ）Ｖａｌｏｘ８６５である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
添付図面を参照して前項に実質的に説明される、エネルギ回収システム。
【請求項２１】
上記いずれかの請求項に記載のエネルギ変換システムにおける、作動流体および／または潤滑流体としての、ＨＦＥ−７１００、ヘキサン、または水の使用。
【請求項２２】
添付の請求項のいずれかに記載のエネルギ変換システムにおける、作動流体および／または潤滑流体としの、アルカン類のうちの１つの使用。
【請求項２３】
電気エネルギ発生システムであって、
燃料源に接続され、前記燃料を燃焼させて第１の排出流体を排出する燃焼ユニットと、
前記第１の排出流体を受け取り、それによって使用時に回転エネルギがタービンのタービン軸に与えられ、前記タービンが第２の排出流体を排出するように構成される前記タービンと、
を備えるマイクロタービンシステムと、
前記第２の排出流体を受け取るように接続され、前記第２の排出流体から中間熱伝達流体へ熱を伝達するように、および前記熱の伝達後に前記中間熱伝達流体を排出するように構成される中間熱伝達ユニットと、
請求項１乃至２０のいずれかに記載のエネルギ回収システムと、
を備え、前記エネルギ変換システムは前記中間熱伝達流体を受け取るように接続された前記第１の熱交換器を有し、前記中間熱伝達流体は前記熱源を取り入れる、電気エネルギ発生システム。
【請求項２４】
前記マイクロタービンシステムが、前記タービンおよび前記燃焼ユニットに接続され、使用時に前記タービン軸によって駆動される圧縮機をさらに含み、前記圧縮機は、酸素含有流体の供給を受け、使用時に前記酸素含有流体を圧縮状態で前記燃焼ユニットに供給する、請求項２３に記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項２５】
前記マイクロタービンシステムが、前記タービンに接続され、使用時に前記タービン軸によって駆動される発電機をさらに含み、前記発電機は電気エネルギを出力するように構成される、請求項２３または２４に記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項２６】
前記タービンと前記中間熱伝達ユニットとの間に配置され、前記第２の排出流体を受け取り、第３の排出流体を前記中間熱伝達ユニットに排出するように接続されたリキュペレータをさらに含み、前記リキュペレータは、例えば前記圧縮機からの酸素含有流体の供給を受けるように、および前記第２の排出流体からの熱を伝達した後に前記酸素含有流体を前記燃焼器へ運搬するように構成される、請求項２３乃至２５のいずれかに記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項２７】
前記リキュペレータが、熱交換器を備える、請求項２６に記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項２８】
電気エネルギ発生システムであって、
燃料源に接続され、前記燃料を燃焼させてエンジン排出流体を排出し、内燃機関を配置することによって、使用時に回転エネルギを駆動軸に与える、前記内燃機関を備えた内燃システムと、
前記エンジン排出流体を受け取るように接続され、前記エンジン排出流体から中間熱伝達流体へ熱を伝達するように、および前記熱の伝達後に前記中間熱伝達流体を排出するように構成される中間熱伝達ユニットと、
請求項１乃至２０のいずれかに記載のエネルギ回収システムと、を備え、前記エネルギ変換システムは前記中間熱伝達流体を受け取るように接続された前記第１の熱交換器を有し、前記中間熱伝達流体は前記熱源を取り入れる、電気エネルギ発生システム。
【請求項２９】
前記内燃システムが、前記内燃機関に接続され、使用時に駆動軸によって駆動される発電機をさらに含み、前記発電機が電気エネルギを出力するように構成される、請求項２８に記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項３０】
前記内燃機関が、燃料の供給および酸素含有流体の供給に接続される、請求項２８または２９に記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項３１】
電気エネルギ発生システムであって、
酸素含有ガスを廃ガス処理筒に送るための送風機を含むベースステージと、
前記ベースステージに隣接し、廃ガス源に接続され、前記廃ガスが燃焼ガスであるかまたはこれを含み、使用時に前記酸素含有ガスの前記廃ガスを燃焼させるように構成される燃焼ステージと、
前記燃焼ステージに隣接し、前記燃焼ステージによって生じる燃焼器排気ガスと混合される空気を含むガスの混合気を発生させるように構成される混合ステージとを含む廃ガス処理筒と、
前記ガスの混合気を受け取るように接続され、前記ガスの混合気体から中間熱伝達流体へ熱を伝達するように、および前記熱の伝達後に前記中間熱伝達流体を排出するように構成される中間熱伝達ユニットと、
請求項１乃至２０のいずれかに記載のエネルギ回収システムと、を備え、前記エネルギ変換システムは前記中間熱伝達流体を受け取るように接続された前記第１の熱交換器を有し、前記中間熱伝達流体は前記熱源を取り入れる、電気エネルギ発生システム。
【請求項３２】
前記送風機が電気送風機を備え、前記送風機は前記電気機械変換ユニットに接続され、使用時に前記エネルギ変換システムが前記送風機に電力を供給することによって電気エネルギの少なくとも一部を発生させる、請求項３１に記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項３３】
前記中間熱伝達ユニットが、熱交換器および／または熱伝達油を含む中間熱伝達流体を備える、請求項２３乃至３２のいずれかに記載の電気エネルギ発生システム。
【請求項３４】
放射流入タービンユニットであって、
第１の圧力で流体を受け取る吸気口を備えたハウジングと、
前記ハウジング内のベアリングに載置され、回転軸を有する軸と、
前記軸に配置されるタービンと、を備え、前記タービンは、
前記軸に載置される第１の一連の羽根を備え、前記吸気口が受け取る前記流体が前記第１の一連の羽根に放射状に入り、第３の圧力で第１の所定の方向に第１のタービンステージを抜ける、前記第１のタービンステージと、
前記軸に載置される第２の一連の羽根を備える第２のタービンステージと、
前記第１のタービンステージから前記第２のタービンステージに抜ける流体を運搬する管路とを備え、
前記第２のタービンステージが受け取る前記流体が、前記第２の一連の羽根に放射状に入り、第２の圧力で第２の所定の方向に前記第２のタービンステージを抜け、
前記流体は前記第１および第２のタービンステージの両方で前記軸に回転エネルギを与える、放射流入タービンユニット。
【請求項３５】
前記第１の圧力が前記第３の圧力よりも高く、前記第３の圧力が前記第２の圧力よりも高い、請求項３４に記載のタービンユニット。
【請求項３６】
前記第１の圧力が前記第２の圧力の２乃至１０倍である、請求項３４または３５に記載のタービンユニット。
【請求項３７】
前記第３の圧力が前記第２の圧力の３乃至４倍である、請求項３４または３５に記載のタービンユニット。
【請求項３８】
前記第２のタービンステージの半径方向寸法が、前記第１のタービンステージの半径寸法よりも大きい、請求項３４乃至３７のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項３９】
前記第２のタービンステージの半径方向寸法が、前記第１のタービンステージの半径寸法の約１．２５倍である、請求項３８に記載のタービンユニット。
【請求項４０】
前記第１のタービンステージの軸方向寸法が、前記第１のタービンステージの半径方向寸法の約０．３乃至０．３７５倍である、請求項３４乃至３９のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４１】
前記第２のタービンステージの軸方向寸法が、前記第２のタービンステージの半径方向寸法の約０．３５乃至０．４倍である、請求項３４乃至４０のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４２】
前記軸に載置される第３の一連の羽根を備える第３のタービンステージと、
前記第２のタービンステージから前記第３のタービンステージに抜ける流体を運搬する管路であって、前記第３のタービンステージが受け取る前記流体が、前記第３の一連の羽根に放射状に入り、第４の圧力で第３の所定の方向に前記第３のタービンステージを抜ける、管路と、
をさらに備え、前記流体は前記第１、第２、および第３のタービンステージで前記軸に回転エネルギを与える、請求項３４乃至４１のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４３】
前記第３のタービンステージの軸方向寸法が、前記第３のタービンステージの半径方向寸法の約１／３倍である、請求項４２に記載のタービンユニット。
【請求項４４】
前記第１、第２および／または第３の所定の方向がおよそ軸方向である、請求項３４乃至４３のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４５】
前記流体がガスである、請求項３４乃至４４のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４６】
前記流体がＨＦＥ−７１００またはヘキサンあるいは水である、請求項３４乃至４５のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４７】
前記流体がアルカン類のうちの１つである、請求項３４乃至４５のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４８】
前記流体が、前記ハウジングに浸透し、それによって前記ベアリングを潤滑する、請求項３４乃至４７のいずれかに記載のタービンユニット。
【請求項４９】
添付図面を参照して前項に実質的に説明される、前記タービンユニット。
【請求項５０】
廃熱源からエネルギを取り出す廃エネルギ回収システムであって、循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、請求項３４乃至４９のいずれかに記載のタービンユニットとを備え、使用時に前記熱交換器が前記作動流体を前記タービンユニットに供給する、廃エネルギ回収システム。
【請求項５１】
軸線の周囲を回転可能な軸を支持し、ハウジング内に少なくとも部分的に配置されるベアリングであって、
前記ハウジングに固定して取り付けられると共に、前記軸上で第２のベアリング面に対向する第１のベアリング面であって、前記第１および第２のベアリング面が前記軸に対しておよそ横方向に展開する第１のベアリング面と、前記軸に対しておよそ平行に展開し、前記軸上で第４のベアリング面に対向する、第３のベアリング面を画定する円筒状の内部溝を有する、ベアリング部材を備え、
前記ベアリング部材は、少なくとも第３および第４のベアリング面へ潤滑流体を運搬するように構成される管路を含む、前記ベアリング。
【請求項５２】
前記ベアリング部材が、およそＴ字状の横断面を有する、請求項５１に記載のベアリング。
【請求項５３】
前記ベアリング部材が、前記第１のベアリング面に対向する端面に、前記軸に対しておよそ横方向に広がる第５のベアリング面を有する、請求項５１または５２に記載のベアリング。
【請求項５４】
ベアリング要素上の前記第１の面が、前記ベアリング部材の内径境界と外径境界との間に部分的に延在するＴ字部の上の隆起した環状面によって画定される、請求項５２に記載のベアリング。
【請求項５５】
複数の細長い第１の凹部が前記第１の面に放射状に延在し、それによって前記第１の面に対向する空間への潤滑流体の流れを容易にする、請求項５３に記載のベアリング。
【請求項５６】
前記第１の凹部が、前記第１の面の前記内径境界と前記外径境界との間に部分的に延在する、請求項５５に記載のベアリング。
【請求項５７】
複数の細長い第２の凹部が第５の面に放射状に延在し、それによって第４の面に対向する空間への潤滑流体の流れを容易にする、請求項５３乃至５６のいずれかに記載のベアリング。
【請求項５８】
前記第２の凹部が、前記第５の面の前記内径境界と前記外径境界との間に部分的に延在する、請求項５７に記載のベアリング。
【請求項５９】
Ｔ字状のベアリング部材の細長い部分の対向する端部の間のある点において、円周方向の凹部が、前記ベアリング部材の前記外径境界の面に画定される、請求項５２乃至５８のいずれかに記載のベアリング。
【請求項６０】
複数の第１の潤滑溝が前記ベアリング部材の前記円周方向の凹部と前記ベアリング部材の前記内径境界との間に放射状に延在し、それによって前記ベアリング部材の外部と前記円筒状の内部溝との間に潤滑流体が流れる、請求項５９に記載のベアリング。
【請求項６１】
前記ベアリング部材が複数の第２の潤滑溝を含み、各溝が前記第１の面の第１の細長い凹部と前記第５の面の対向する第２の細長い凹部のそれぞれとの間に軸方向に延在する、請求項５８乃至６０のいずれかに記載のベアリング。
【請求項６２】
前記第１および第２の細長い凹部の数が、２乃至８個であり、好ましくは６個である、請求項５１乃至６１のいずれかに記載のベアリング。
【請求項６３】
前記第２の潤滑溝の数が、２乃至８本である、請求項５１乃至６２のいずれかに記載のベアリング。
【請求項６４】
前記ベアリングが、ワッシャをさらに含み、使用時に前記ワッシャの一方の面が前記ベアリング部材の前記第５の面に当接し、前記ワッシャの他方の面がタービンなどの駆動部材の対応する面へ当接するように構成される、請求項５１乃至６３のいずれかに記載のベアリング。
【請求項６５】
添付図面を参照して前項に実質的に説明される、前記ベアリング。
【請求項６６】
廃熱源からエネルギを取り出すエネルギ回収システムであって、循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、タービンユニットと、を備え、使用時に前記熱交換器が前記作動流体をガスとして前記タービンユニットに供給し、前記タービンユニットは軸を介して前記電気機械変換ユニットに機械的に接続され、前記軸は請求項５１乃至６５のいずれかに記載のベアリングによって支持される、エネルギ回収システム。
【請求項６７】
前記システムが、前記冷却システムから前記ベアリングへの作動流体の二次的な供給ラインをさらに含み、それによって作動流体が前記ベアリング部材に供給され、それによって前記ベアリングに前記潤滑流体が提供される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
前記作動流体が、液体として前記ベアリングに供給される、請求項６７に記載のシステム。
【請求項６９】
回転式磁気連結器であって、
第１の回転部材であって、その上に配置される第１の磁気部材を有する第１の軸を含み、使用時に前記第１の軸が回転エネルギ源によって駆動される、第１の回転部材と、
第２の回転部材であって、その上に配置される第２の磁気部材を有する第２の軸を含み、使用時に前記第２の回転部材が前記第１および第２の磁気部材の連結を介して前記第１の回転部材から回転エネルギを受け取る、第２の回転部材と、
を備え、前記第１および第２の磁気部材のうちの１つまたは両方が、前記第１および第２の軸の軸線に対して異なる角度位置に配置される複数の磁石部を備える、回転式磁気連結器。
【請求項７０】
前記第１の回転部材が、密閉されたハウジング内に配置され、前記ハウジングの一部が前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との間に配置され、非磁性材料製である、請求項６９に記載の磁気連結器。
【請求項７１】
前記非磁性材料が、ステンレス鋼、ニモニック合金、またはプラスチック製である、請求項７０に記載の磁気連結器。
【請求項７２】
前記第１の磁気部材が、前記第１の軸と一体的なおよそ円筒状の内部電機子部と、前記電機子部の外部に固定して取り付けられる複数の第１の磁石部とを備える、請求項６９または７０に記載の磁気連結器。
【請求項７３】
前記第２の磁気部材が、前記第２の軸と一体的なおよそ円筒状の外部支持部と、前記支持部の内部に固定して取り付けられる複数の第２の磁石部とを備える、請求項６９乃至７２のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項７４】
前記第１の磁気部材が、前記第１の磁石部の外部に配置され、前記第１の軸の高速回転中に前記第１の磁気部を一定の場所に保持する格納容器シェルをさらに備える、請求項６９乃至７３のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項７５】
前記格納容器シェルが、ＣＦＲP、ケブラー、またはＧＲＰなどの複合材である、請求項７３または７４に記載の磁気連結器。
【請求項７６】
前記第１の磁気部材が、前記第２の磁気部材の内部に配置され、そこでハウジングの一部から分離される、請求項７０乃至７５のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項７７】
前記磁石部が、それぞれのＮ−Ｓ極方向が放射状に延在する双極子磁石を備える、請求項６９乃至７６のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項７８】
前記第１の磁気部材が、およそ円板状であり、その中に複数の前記第１の磁石部が固定して載置され、それによって前記第１の磁石部が円板形状を形成する第１の載置部を備える、請求項６９乃至７２のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項７９】
前記第２の磁気部材が、およそ円板状であり、その中に複数の前記第２の磁石部が固定して載置され、それによって前記第２の磁石部が円板形状を形成する第２の載置部を備える、請求項７８に記載の磁気連結器。
【請求項８０】
前記第１および第２の磁石部が、円板のセクタを形成する、請求項６９乃至７９のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項８１】
前記第１および第２の磁石部が、それぞれのＮ−Ｓ極方向が軸方向に延在する双極子磁石を備える、請求項７８乃至８０のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項８２】
前記第１の円板状の磁気部材が、前記第２の円板状の磁気部材に隣接して軸方向に一列に配置され、そこで前記ハウジングの一部から分離する、請求項７８乃至８１のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項８３】
前記第１の磁気部材および／または前記第２の磁気部材の磁気部の数が、２個以上の偶数個である、請求項６９乃至８２のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項８４】
前記第１の磁気部材および／または前記第２の磁気部材の磁気部の数が４個である、請求項６９乃至８３のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項８５】
前記磁石部が、フェライト材料、サマリウムコバルト、またはネオジウムアイアンボロン製である、請求項６９乃至８４のいずれかに記載の磁気連結器。
【請求項８６】
添付図面を参照して前項に実質的に説明される、前記磁気連結器。
【請求項８７】
廃熱源からエネルギを取り出す廃エネルギ回収システムであって、循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、タービンユニットと、を備え、前記タービンは密閉され、請求項６９乃至８６のいずれかに記載の磁気連結器によって前記電気機械変換ユニットに接続される、廃エネルギ回収システム。
【請求項８８】
廃熱源からエネルギを取り出すエネルギ回収システムにおいて実行される方法であって、前記システムは循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、交流発電機を含む電気機械変換ユニットと、冷却システムと、タービンユニットと、前記電気機械変換ユニットに接続され、前記交流発電機に由来する電圧が変化するように構成される制御システムとを備え、
（ａ）１つの電圧ステップずつ電圧を増加させるステップと、
（ｂ）交流発電機の出力を測定するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された出力が以前の出力以下である場合には、
（ｉ）１つの電圧ステップずつ電圧を減少させることと、
（ｉｉ）ステップ（ｃ）（ｉｉ）（２）で測定される出力が先に測定される出力以上である間、
（１）１つの電圧ステップずつ電圧を減少させることと、
（２）交流発電機の出力を測定することと、
を繰り返し、
ステップ（ｂ）で測定される出力が以前の出力以上である場合には、ステップ（ｃ）（ｉｖ）で測定される出力が先に測定された出力以上である間、
（ｉｉｉ）１つの電圧ステップずつ電圧を増加させることと、
（ｉｖ）交流発電機の出力を測定することと、
を繰り返すステップと、
を含む方法。
【請求項８９】
前記１つの電圧ステップずつ電圧を増加させる各ステップが、１つの電圧ステップずつ電圧を減少させるステップと置き換えられる、およびその逆も同様である、請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記電圧ステップが平均電圧の約１％乃至２．５％である、請求項８８または８９に記載の方法。
【請求項９１】
ステップ（ａ）が毎秒行われる、請求項８８、８９、または８９に記載の方法。
【請求項９２】
前記交流発電機の出力を測定するステップが、前記交流発電機の出力に由来する出力電圧Ｖを測定するステップと、前記交流発電機の出力に由来する出力電流を測定するステップと、出力＝Ｖ×Ｉを計算するステップとを含む、請求項８８乃至９１のいずれかに記載の方法。
【請求項９３】
前記交流発電機の出力を測定するステップが、独立した出力測定装置による出力を測定するステップを含む、請求項８８乃至９１のいずれかに記載の方法。
【請求項９４】
前記方法が、第１の周波数から第２の周波数へ交流電圧を変換するステップをさらに含む、請求項８８乃至９３のいずれかに記載の方法。
【請求項９５】
前記第１の周波数が前記第２の周波数よりも高く、前記第２の周波数がおよそ幹線給電の周波数である、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記電圧を変換するステップが、
整流回路を使用して交流発電機が出力する電圧を整流し、それによって直流電圧を導くステップと、
電力調整ユニットを使用して前記直流電圧から交流電圧を発生させるステップとを含む、請求項９４または９５に記載の方法。
【請求項９７】
前記方法が、最後に測定した出力の値を保存するステップをさらに含む、請求項８８乃至９６のいずれかに記載の方法。
【請求項９８】
添付図面を参照して前項に実質的に説明される、前記エネルギ回収システムの制御方法。
【請求項９９】
プロセッサと、メモリと、前記電気機械変換ユニットに接続されるインターフェースと、ユーザーインタフェースとを含む、請求項８８乃至９８のいずれかに記載の方法を実行するために最適にプログラムされたプログラム可能な制御システム。
【請求項１００】
交流電圧の周波数を変換する周波数変換装置を含む、請求項９９に記載の制御システム。
【請求項１０１】
エネルギ変換システムの作動流体浄化システムであって、前記エネルギ変換システムは、そこの経路を通って循環する循環作動流体を有するクローズドシステムであり、タービンなどの膨張装置を含み、
膨張タンクと、
前記作動流体を受け取るために接続される可変容積を定める前記膨張タンク内のダイアフラムと、
前記経路と前記膨張タンクとの間に配置される制御バルブであって、前記可変容積を流れる流体を制御するように構成される制御バルブと、
を備え、前記制御バルブは管路を経て前記経路の接続地点に接続され、前記接続点は前記経路の最高地点にある、前記作動流体浄化システム。
【請求項１０２】
前記制御バルブが、前記接続地点よりも高い地点に載置される、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１０３】
前記膨張タンクが、前記制御バルブよりも高い地点に載置される、請求項１０１または１０２に記載のシステム。
【請求項１０４】
制御器をさらに含み、前記制御器は前記制御バルブを開閉するように構成される、上記のいずれかの請求項に記載のシステム。
【請求項１０５】
前記制御器が、浄化サイクルを行うように構成され、前記浄化サイクルは第１の所定の期間前記制御バルブを開き、第２の所定の期間前記制御バルブを閉じることを含む、請求項１０４に記載のシステム。
【請求項１０６】
前記制御器が、前記システムの電源投入後の所定時間幅の起動シーケンスにおいて、複数の前記浄化サイクルを行うように構成される、請求項１０５に記載のシステム。
【請求項１０７】
前記複数の浄化サイクルが、約３乃至５の浄化サイクルを含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１０８】
前記第１の所定の期間が約１分であり、前記第２の所定の期間が約１０分である、請求項１０５乃至１０７に記載のシステム。
【請求項１０９】
前記制御器に接続される圧力センサをさらに備え、前記制御器は、前記センサによって示される圧力が所定のレベルを超える場合に、少なくとも１つの浄化サイクルを行うように構成される、請求項１０１乃至１０８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１０】
添付図面を参照して前項に実質的に説明される、前記作動流体浄化システム。
【請求項１１１】
熱源から電機エネルギを取り出すエネルギ回収システムであって、
請求項１０１乃至１１０のいずれかに記載の作動流体浄化システムと、タービンと、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、を備え、使用時に前記熱交換器が前記作動流体を前記タービンに供給する、エネルギ回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な形態のエネルギの使用に関し、特にエネルギ回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（電気）エネルギを発生させるための従来の技術が数多くあり、最も一般的には、最終的には供給に限りのあるいくつかの燃料（例えば、石炭、天然ガスなど）の燃焼に関係する。
【０００３】
さらに、数多くのエネルギ変換技術が開示されている。例えば、米国特許４，８９６，５０９号では、ランキンサイクルによる熱エネルギの機械的エネルギへの変換プロセスを開示している。このプロセスでは、サイクルは、熱源（概して水蒸気を発生させるために使用するボイラからの熱水など）によって作動流体を蒸発させるステップと、それによって発生した水蒸気を膨張装置（タービンなどの回転または往復移動装置）によって膨張させるステップと、それを低温加熱源（冷水など）によって（例えば、概して冷凍装置に用いられる凝縮器を使用して）凝縮させるステップと、ポンプを使用してそれを圧縮するステップとを繰り返す。しかし、このようなシステムでは、沸騰に燃焼を用いている。
【０００４】
さらに、利用可能なランキンサイクルシステムは、概して数メガワットの範囲で稼動する大規模な設備であり、小規模な産業施設からの高温廃液、自動車用内燃機関などの比較的温度の低い熱源からの小量のエネルギーの取り出しには不向きであるという問題がある。
【特許文献１】米国特許第４，８９６，５０９号公報
【特許文献２】米国特許第５，１１９，６３５号公報
【特許文献３】米国特許第５，４８７，７６５号公報
【発明の開示】
【０００５】
したがって、上述の問題を解決し、改良した回収システムを提供するエネルギ回収システムが必要である。
【０００６】
エネルギの回収
本発明は、熱源から電気エネルギを取り出すエネルギ回収システムであって、前記システムは循環作動流体を有し、前記熱源からの熱の少なくとも一部を取り入れる熱源流体を受け取ると共に、前記熱源流体から前記作動流体に熱が伝達されるように前記作動流体を受け取る第１の熱交換器と、第１の熱交換器から排出される作動流体を受け取り、それによって機械的エネルギを膨張ユニットに与える前記膨張ユニットと、膨張ユニットに接続され、前記機械的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換ユニットと、前記膨張ユニットおよび前記第１の熱交換器に接続され、前記膨張ユニットからの作動流体を受け取り、前記流体を冷却して前記第１の熱交換器に前記流体を供給する冷却システムとを備える、前記エネルギ回収システムを提供する。熱交換器は、小型の熱交換器であることが好ましい。
【０００７】
ある具体的態様においては、前記システムが、循環作動流体を有するクローズドシステムであって、前記第１の熱交換器が第１の温度で熱源流体を受け取り、その熱を取り入れて、第２の温度で前記廃液を排出し、第３の温度で前記作動流体を受け取り、第４の温度での前記作動流体を排出するように構成され、前記第４の温度は前記第３の温度よりも高くかつ前記作動流体の沸点よりも高く、前記膨張ユニットは、第１の圧力で前記第１の熱交換器から排出された前記作動流体を受け取ると共に、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記作動流体を排出するように構成されるタービンユニットを備え、該タービンユニットは、それによって該タービンユニット内に載置されたタービン軸に回転エネルギを与え、前記電気機械変化ユニットは、前記タービン軸に接続され、前記回転エネルギを電気エネルギに変換する。タービンは、高速マイクロタービンであることが好ましい。
【０００８】
前記冷却システムが、前記タービンユニットおよび前記第１の熱交換器に接続され、第５の温度で前記タービンユニットからの第１の作動流体供給を受け、第６の温度で前記第１の供給からの作動流体を排出し、前記第６の温度が前記第５の温度よりも低い、第２の熱交換器を含み、前記第２の熱交換器は、第７の温度で液状の第２の作動流体供給を受け取るように、および前記第３の温度で前記第１の熱交換器に液状の前記第２の供給からの作動流体を排出するように構成されることが好ましい。前記冷却システムが、前記第２の熱交換器に接続され、冷却液供給を受け取るように構成され、前記第６の温度で前記第２の熱交換器から排出された前記作動流体を受け取り、第７の温度で液状の作動流体を排出し、前記第７の温度が前記第６の温度よりも低くかつ前記作動流体の沸点よりも高い、凝縮ユニットをさらに含むことが好ましい。前記冷却システムが、前記冷却ユニットに接続され、前記第７の温度で前記液状の作動流体を受け取り、前記液状の作動流体を前記第２の熱交換器に送り込み、それによって前記第２の作動流体供給を前記第２の熱交換器に提供するポンプを含むことが好ましい。
【０００９】
一実施態様では、前記第１の温度が約１１０乃至約２２５℃である。一実施態様では、前記第２の温度が約８０乃至約１４０℃である。一実施態様では、前記第１の温度が約１８０℃であり、第２の温度が約１２３℃である。一実施態様では、前記第１の圧力が絶対圧力１０乃至３０ｂａｒである。一実施態様では、前記第２の圧力が絶対圧力０．５乃至２ｂａｒである。
【００１０】
前記タービン軸が、前記タービンユニット内のベアリングに載置され、前記作動流体が前記タービンユニットに浸透し、それによって前記ベアリングを潤滑することが好ましい。
【００１１】
前記作動流体が、アルカンから選択された単一成分の流体を含むことが好ましい。前記作動流体が、沸点約３０乃至１１０℃の流体からなることが好ましい。
【００１２】
前記電気機械変換ユニットが、電流を出力するように構成される交流発電機を含むことが好ましい。前記電気機械変換ユニットが、前記交流発電機に接続され、前記交流発電機から受け取った電流の周波数を変更し、幹線周波数で出力する電気調整ユニットを含むことが好ましい。交流発電機は、高速交流発電機であることが好ましい。
【００１３】
好適な実施態様では、前記膨張ユニットが、軸およびその上に載置された少なくとも１つのタービンステージを有し、前記１つのまたは各タービンステージが一組の羽根を組み込んだタービンユニットを備える。前記少なくとも１つのタービンステージが、アルミニウムまたはスチール製であってもよい。ある種の実施態様では、少なくとも１つのタービンステージは、プラスチック材料製である。前記プラスチック材料が、例えば４０％の炭素繊維を含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの（ａ）ＰＥＥＫ、（ｂ）Ｕｌｔｅｒｎ  ２４００、または（ｃ）Ｖａｌｏｘ  ８６５であってもよい。
【００１４】
本発明の他の側面によれば、添付の請求の範囲のいずれかのシステムの作動流体および／または潤滑流体として、ＨＦＥ−７１００、ヘキサン、または水を使用する。
【００１５】
本発明の他の側面によれば、添付の請求の範囲のいずれかのシステムの作動流体および／または潤滑流体として、アルカン類のうちの１つを使用する。
【００１６】
本発明の他の側面によれば、電気エネルギ発生システムは、燃料源に接続され、前記燃料を燃焼させて第１の排出流体を排出する燃焼ユニットを備えるマイクロタービンシステムと、前記第１の排出流体を受け取り、それによって使用時に回転エネルギがタービンのタービン軸に与えられ、前記タービンが第２の排出流体を排出するように構成される前記タービンと、前記第２の排出流体を受け取るように接続され、前記第２の排出流体から中間熱伝達流体へ熱を伝達するように、および前記熱の伝達後に前記中間熱伝達流体を排出するように構成される中間熱伝達ユニットと、請求項１乃至１６のいずれかに記載のエネルギ回収システムとを備え、エネルギ変換システムは前記中間熱伝達流体を受け取るように接続された前記第１の熱交換器を有し、中間熱伝達流体は前記熱源を取り入れる。
【００１７】
前記マイクロタービンシステムが、前記タービンおよび前記燃焼ユニットに接続され、使用時に前記タービン軸によって駆動され、圧縮機が酸素含有流体の供給を受け、使用時に前記酸素含有流体を圧縮状態で前記燃焼ユニットに供給する前記圧縮機をさらに含むことが好ましい。
【００１８】
前記マイクロタービンシステムが、前記タービンに接続され、使用時にタービン軸によって駆動される発電機をさらに備え、前記発電機が電気エネルギを出力するように構成されることが好ましい。
【００１９】
前記電気エネルギ発生システムが、前記タービンと前記中間熱伝達ユニットとの間に配置され、前記第２の排出流体を受け取り、第３の排出流体を前記中間熱伝達ユニットに排出するように接続したリキュペレータをさらに含み、前記リキュペレータが例えば前記圧縮機からの酸素含有流体の供給を受けるように、および前記第２の排出流体からの熱を燃焼器に伝達した後に前記酸素含有流体を前記燃焼器へ運搬するように構成されることが好ましい。
【００２０】
前記リキュペレータが、熱交換器を備えることが好ましい。
【００２１】
本発明の他の側面によれば、電気エネルギ発生システムは、燃料源に接続され、前記燃料を燃焼させてエンジン排出流体を排出し、内燃機関を配置することによって、使用時に回転エネルギを駆動軸に与える、前記内燃機関を備えた内燃システムと、前記エンジン排出流体を受け取るように接続され、前記エンジン排出流体から中間熱伝達流体へ熱を伝達するように、および前記熱の伝達後に前記中間熱伝達流体を排出するように構成される中間熱伝達ユニットと、請求項１乃至１６のいずれかに記載のエネルギ回収システムとを備え、エネルギ変換システムは前記中間熱伝達流体を受け取るように接続された前記第１の熱交換器を有し、中間熱伝達流体は前記熱源を取り入れる。
【００２２】
前記内燃システムが、前記内燃機関に接続され、使用時に駆動軸によって駆動される発電機をさらに含み、前記発電機が電気エネルギを出力するように構成されることが好ましい。前記内燃機関が、燃料の供給および酸素含有流体の供給に接続されることが好ましい。
【００２３】
本発明の他の側面によれば、電気エネルギ発生システムは、酸素含有ガスを廃ガス処理筒に送るための送風機を含むベースステージと、前記ベースステージに隣接し、廃ガス源に接続され、前記廃ガスが燃焼ガスとなるかまたはこれを含み、燃焼ステージが使用時に前記酸素含有ガスの前記廃ガスを燃焼させるように構成される前記燃焼ステージと、前記燃焼ステージに隣接し、前記燃焼ステージによって生じる燃焼器排気ガスと混合される空気を含むガスの混合気を発生させるように構成される混合ステージとを含む廃ガス処理筒と、前記ガスの混合気を受け取るように接続され、前記ガスの混合気体から中間熱伝達流体へ熱を伝達するように、および前記熱の伝達後に前記中間熱伝達流体を排出するように構成される中間熱伝達ユニットと、請求項１乃至１６のいずれかに記載のエネルギ回収システムとを備え、エネルギ変換システムは前記中間熱伝達流体を受け取るように接続された前記第１の熱交換器を有し、中間熱伝達流体は前記熱源を取り入れる。
【００２４】
前記送風機が電気送風機を備え、前記送風機は前記電気機械変換ユニットに接続され、使用時に前記エネルギ変換システムが前記送風機に電力を供給することによって電気エネルギの少なくとも一部を発生させることが好ましい。
【００２５】
前記中間熱伝達ユニットが、熱交換器および／または熱伝達油を含む中間熱伝達流体を備えることが好ましい。
【００２６】
本発明の利点は、小規模なエネルギ回収システムが提供されることである。本発明の別の利点は、比較的低温の熱源からエネルギを取り出せることである。本発明の更なる利点は、利用しなければ無駄になる熱源から、または再生可能な熱源から適切な効率でエネルギを回収できること、および／またはエネルギ発生システムで発生する電気エネルギの量が非常に多くなることである。
【００２７】
タービン設計
更なる問題は、１段式半径流タービンが既知であり、また２段式半径流タービンが既知であるが、これまで２段式半径流タービンの設計では一部の産業界が遭遇する高速およびきわめて高い圧力差での動作能力が不足していたことである。１段式半径流タービンでは、ある程度の圧力降下に対処できないという問題がしばしば生じる。
【００２８】
したがって、本発明の別の側面によれば、半径流入タービンユニットは、第１の圧力で流体を受け取る吸気口を備えたハウジングと、前記ハウジング内のベアリングに載置され、回転軸を有する軸と、前記軸に配置されるタービンとを備え、前記タービンは、前記軸に載置される第１の一連の羽根を備え、前記吸気口が受け取る前記流体が前記第１の一連の羽根に放射状に入り、第３の圧力で第１の所定の方向に第１のタービンステージを抜ける、前記第１のタービンステージと、前記軸に載置される第２の一連の羽根を備える第２のタービンステージと、前記第１のタービンステージから前記第２のタービンステージに抜ける流体を運搬する管路とを備え、前記第２のタービンステージが受け取る前記流体が、前記第２の一連の羽根に放射状に入り、第２の圧力で第２の所定の方向に前記第２のタービンステージを抜け、前記流体は前記第１および第２のタービンステージの両方で前記軸に回転エネルギを与える。
【００２９】
前記第１の圧力が前記第２の圧力の２乃至１０倍であることが好ましい。前記第３の圧力が前記第２の圧力の３乃至４倍であることが好ましい。
【００３０】
前記第２のタービンステージの半径方向寸法が、前記第１のタービンステージの半径寸法よりも大きいことが好ましい。前記第２のタービンステージの半径方向寸法が、前記第１のタービンステージの半径寸法の約１．２５倍であることが好ましい。前記第１のタービンステージの軸方向寸法が、前記第１のタービンステージの半径方向寸法の約０．３乃至０．３７５倍であることが好ましい。前記第２のタービンステージの軸方向寸法が、前記第２のタービンステージの半径方向寸法の約０．３５乃至０．４倍であることが好ましい。
【００３１】
特定の実施態様では、前記タービンユニットが、前記軸に載置される第３の一連の羽根を備える第３のタービンステージと、前記第２のタービンステージから前記第３のタービンステージに抜ける流体を運搬する管路とを備え、前記第３のタービンステージが受け取る前記流体が、前記第３の一連の羽根に放射状に入り、第４の圧力で第３の所定の方向に前記第３のタービンステージを抜け、前記流体は前記第１、第２、および第３のタービンステージで前記軸に回転エネルギを与える。
【００３２】
前記第３のタービンステージの軸方向寸法が、前記第３のタービンステージの半径方向寸法の約１／３倍であることが好ましい。
【００３３】
前記第１、第２および／または第３の所定の方向が、一般に軸方向であることが好ましい。一実施態様では、前記流体がガスである。前記流体が、ＨＦＥ−７１００またはヘキサンあるいは水であることが好ましい。前記流体がアルカン類のうちの１つであってもよい。
【００３４】
本発明は、さらに廃熱源からエネルギを取り出すエネルギ回収システムを提供し、前記システムは循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、添付の請求の範囲のいずれかのタービンユニットとを備え、使用時に前記熱交換器が前記作動流体をガスとして前記タービンユニットに供給する。
【００３５】
前記流体が、前記ハウジングに浸透し、それによって前記ベアリングを潤滑することが好ましい。
【００３６】
本発明の利点は、高回転速度（例えば、２５，０００乃至５０，０００ｒｐｍ）で使用できることである。本発明の別の利点は、２段式タービンの設計が各ステージで生じる圧力降下を伴うことによって、より高い入力圧力（例えば絶対圧力２０ｂａｒ）に対応できることである。
【００３７】
本発明の更なる利点は、比較的小型のタービンが設計できることである。
【００３８】
上述の特性は、効率の改善によって、非常に高い運転圧力において流体（ガス）からのエネルギを変換するシステム（ランキンサイクルシステムなど）にタービンを好都合に用いられるようになる。
【００３９】
ベアリング設計
更なる問題は、小型の回転機械用のベアリングシステムの有効性が不足することである。高速で回転する回転要素の軸を支持するそのような装置が必要である。さらに、小型の機械においてジャーナルベアリングとして、またスラストベアリングとしても機能するベアリングシステムを提供するという問題がある。この種のベアリングは、長期間にわたって休みなく稼動する（および５年以上のオーダーの寿命を有する）システムに用いることができるように、堅牢でありかつ信頼性がなければならない。
【００４０】
本発明は、軸線の周囲を回転可能な軸を支持し、ハウジング内に少なくとも部分的に配置されるベアリングであって、前記ハウジングに固定して取り付けられると共に、前記軸上で第２のベアリング面に対向する第１のベアリング面であって、前記第１および第２のベアリング面が前記軸に対しておよそ横方向に展開する第１のベアリング面と、前記軸に対しておよそ平行に展開し、前記軸上で第４のベアリング面に対向する、第３のベアリング面を画定する円筒状の内部溝を有する、ベアリング部材を備え、前記ベアリング部材は、少なくとも第３および第４のベアリング面へ潤滑流体を運搬するように構成される管路を含む、前記ベアリングを提供する。
【００４１】
前記ベアリング部材が、前記第１のベアリング面に対向する端面に、一般に前記軸に対して横方向に延在する第５のベアリング面を有することが好ましい。
【００４２】
前記ベアリング部材が、一般にＴ字状の横断面を有することが好ましい。ベアリング要素上の前記第１の面が、前記ベアリング部材の内径境界と外径境界との間に部分的に延在するＴ字部の上の隆起した環状面によって画定されることが好ましい。複数の細長い第１の凹部が前記第１の面に放射状に延在し、それによって前記第１の面に対向する空間への潤滑流体の流れを容易にすることが好ましい。前記第１の凹部が、前記第１の面の前記内径境界と前記外径境界との間に部分的に延在することが好ましい。
【００４３】
複数の細長い第２の凹部が第５の面に放射状に延在し、それによって第４の面に対向する空間への潤滑流体の流れを容易にすることが好ましい。前記第２の凹部が、前記第５の面の前記内径境界と前記外径境界との間に部分的に延在することが好ましい。
【００４４】
Ｔ字状のベアリング部材の細長い部分の対向する端部の間のある点において、円周方向の凹部が、前記ベアリング部材の前記外径境界の面に画定されることが好ましい。複数の第１の潤滑溝が前記ベアリング部材の前記円周方向の凹部と前記ベアリング部材の前記内径境界との間に放射状に延在し、それによって前記ベアリング部材の外部と前記円筒状の内部溝との間に潤滑流体が流れることが好ましい。
【００４５】
前記ベアリング部材が複数の第２の潤滑溝を含み、各溝が前記第１の面の第１の細長い凹部と前記第５の面の対向する第２の細長い凹部のそれぞれとの間に軸方向に延在することが好ましい。
【００４６】
前記第１および第２の細長い凹部の数が、２乃至８個であり、好ましくは６個であることが好ましい。
【００４７】
前記第２の潤滑溝の数が、２乃至８本であることが好ましい。
【００４８】
前記ベアリングが、ワッシャをさらに含み、使用時に前記ワッシャの一方の面が前記ベアリング部材の前記第５の面に当接し、前記ワッシャの他方の面がタービンなどの駆動部材の対応する面へ当接するように構成されることが好ましい。
【００４９】
本発明は、廃熱源からエネルギを取り出すエネルギ回収システムであって、前記システムは循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、タービンユニットとを備え、使用時に前記熱交換器が前記作動流体をガスとして前記タービンユニットに供給し、前記タービンユニットは軸を介して前記電気機械変換ユニットに機械的に接続され、前記軸は添付の請求の範囲のいずれかに記載のベアリングによって支持される、前記エネルギ回収システムをさらに提供する。
【００５０】
前記システムが、前記冷却システムから前記ベアリングへの作動流体の二次的な供給ラインをさらに含み、それによって作動流体が前記ベアリング部材に供給され、それによって前記ベアリングに前記潤滑流体が提供されることが好ましい。前記作動流体が、液体として前記ベアリングに供給されることが好ましい。
【００５１】
本発明の利点は、小型のベアリングが提供されることである。本発明の別の利点は、このベアリングがジャーナルベアリングとしても、またスラストベアリングとしても機能できることである。ある種の実施態様では、本発明の利点は、潤滑が作動流体によって提供され、独立した潤滑剤供給が不要な点である。
【００５２】
連結器
更なる問題は、磁気連結器は既知であるが、これまで連結器の設計では一部の産業界が遭遇する高速およびきわめて高い圧力差に対応する密封ユニットの動作能力が不足していたことである。このような小型の装置の提供が不可能であるという問題がしばしば生じる。
【００５３】
したがって、本発明の別の側面によれば、回転式磁気連結器は、その上に配置される第１の磁気部材を有する第１の軸を含み、使用時に前記第１の軸が回転エネルギ源によって駆動される第１の回転部材と、その上に配置される第２の磁気部材を有する第２の軸を含み、使用時に前記第２の回転部材が前記第１および第２の磁気部材の連結を介して前記第１の回転部材から回転エネルギを受け取る第２の回転部材とを備え、前記第１および第２の磁気部材のうちの１つまたは両方が、前記第１および第２の軸の軸線に対して異なる角度位置に配置される複数の磁石部を備える。
【００５４】
前記第１の回転部材が、密閉されたハウジング内に配置され、前記ハウジングの一部が前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との間に配置され、非磁性材料製であることが好ましい。前記非磁性材料が、ステンレス鋼、ニモニック合金、またはプラスチック製であることが好ましい。
【００５５】
一実施態様では、前記第１の磁気部材が、前記第１の軸と一体的な一般に円筒状の内部電機子部と、前記電機子部の外部に固定して取り付けられる複数の第１の磁石部とを備え、前記第２の磁気部材が、前記第２の軸と一体的な一般に円筒状の外部支持部と、前記支持部の内部に固定して取り付けられる複数の第２の磁石部とを備えることが好ましい。前記第１の磁気部材が、前記第１の磁石部の外部に配置され、前記第１の軸の高速回転中に前記第１の磁気部を一定の場所に保持する格納容器シェルをさらに備えることが好ましい。前記格納容器シェルは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ケブラー、または、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）などの複合材であってもよい。前記第１の磁気部材が、前記第２の磁気部材の内部に配置され、そこでハウジングの一部から分離されることが好ましい。前記磁石部が、それぞれのＮ−Ｓ極方向が放射状に延在する双極子磁石を備えることが好ましい。
【００５６】
別の実施態様では、前記第１の磁気部材が、一般に円板状であり、その中に複数の前記第１の磁石部が固定して載置され、それによって前記第１の磁石部が円板形状を形成する第１の載置部を備え、前記第２の磁気部材が、一般に円板状であり、その中に複数の前記第２の磁石部が固定して載置され、それによって前記第２の磁石部が円板形状を形成する第２の載置部を備える。前記第１および第２の磁石部が、円板のセクタを形成することが好ましい。前記第１および第２の磁石部が、それぞれのＮ−Ｓ極方向が軸方向に延在する双極子磁石を備えることが好ましい。前記第１の円板状の磁気部材が、前記第２の円板状の磁気部材に隣接して軸方向に一列に配置され、そこで前記ハウジングの一部から分離することが好ましい。
【００５７】
前記第１の磁気部材および／または前記第２の磁気部材の磁気部の数が、２個以上の偶数個であることが好ましい。前記第１の磁気部材および／または前記第２の磁気部材の磁気部の数が、４個であることがより好ましい。
【００５８】
前記磁石部が、フェライト材料、サマリウムコバルト、またはネオジウムアイアンボロン製であることが好ましい。
【００５９】
本発明は、廃熱源からエネルギを取り出す廃エネルギ回収システムであって、前記システムは循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムと、タービンユニットとを備え、前記タービンは密閉され、添付の請求の範囲のいずれかに記載の磁気連結器によって前記電気機械変換ユニットに接続される、前記廃エネルギ回収システムをさらに提供する。
【００６０】
本発明の利点は、高回転速度（例えば、２５，０００乃至５０，０００ｒｐｍ）で使用できることである。本発明の別の利点は、タービンを動かす（有害または危険な場合もある）作動流体の流出を防ぐ密封ユニットが提供されることである。本発明の更なる利点は、比較的小型のタービンが設計できることであり、機械的分離／磁気連結は、タービンの出力によって自動車用アプリケーションなどに見られる既製の交流発電機を駆動できるようにすることにおいて特に有益である。
【００６１】
上述の特性によって、非常に高い運転圧力において流体（ガス）からのエネルギを変換するシステム（ランキンサイクルシステムなど）に磁気連結器を好都合に用いられるようになる。
【００６２】
出力制御
さらに、利用可能なランキンサイクルシステムは、概して数メガワットの範囲で稼動する大規模な設備であり、小規模な産業施設からの高温廃液、自動車用内燃機関などの比較的温度の低い熱源からの小量のエネルギーの取り出しには不向きであるという欠点がある。
【００６３】
その上、電気エネルギを廃熱または太陽熱源から得ている状況では、最適な効率でエネルギを取り出すように用いられるシステムが望ましい。
【００６４】
大部分の既存のランキンサイクル機関は、グリッド供給と同じ周波数で運転される同期交流発電機を備えた低速ユニットである。タービンの速度および出力制御は、一般にタービンを迂回するバルブによるものである。例えば、米国特許４，５３７，０３２号では、各スロットルバルブの動作を制御することによってタービンへの負荷を制御する並列ステージのモジュール式ランキンサイクルタービンを開示している。また、米国特許２００２／０１０８３７２号では、一方のランキンサイクルタービンスステムが他方のランキンサイクルタービンシステムの発電機の出力に基づいて開閉する制御バルブを含む、２基の高温待機有機ランキンサイクルタービンシステムを含む発電システムを開示している。
【００６５】
したがって、上述の問題を解決するエネルギ回収システムおよびその制御技術が必要であり、改良した回収システムを提供する。
【００６６】
したがって、本発明の別の側面によれば、廃熱源からエネルギを取り出すエネルギ回収システムにおいて実行される方法であって、前記システムは循環作動流体を有するクローズドシステムであり、熱交換器と、交流発電機を含む電気機械変換ユニットと、冷却システムと、タービンユニットと、前記電気機械変換ユニットに接続され、前記交流発電機に由来する電圧が変化するように構成される制御システムとを備え、
（ａ）１つの電圧ステップずつ電圧を増加させるステップと、
（ｂ）交流発電機の出力を測定するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された出力が以前の出力以下である場合には、（ｉ）１つの電圧ステップずつ電圧を減少させることと、（ｉｉ）ステップ（ｃ）（ｉｉ）（２）で測定される出力が先に測定された出力以上である間、（１）１つの電圧ステップずつ電圧を減少させることと、（２）交流発電機の出力を測定することとを繰り返し、ステップ（ｂ）で測定される出力が以前の出力以上である場合には、ステップ（ｃ）（ｉｖ）で測定される出力が先に測定された出力以上である間、（ｉｉｉ）１つの電圧ステップずつ電圧を増加させることと、（ｉｖ）交流発電機の出力を測定することとを繰り返すステップと、
を含む方法を提供する。
【００６７】
あるいは、前記１つの電圧ステップずつ電圧を増加させる各ステップを、１つの電圧ステップずつ電圧を減少させるステップと置き換える、およびその逆も同様である。
【００６８】
前記電圧ステップが平均電圧の約１％乃至２．５％であってもよい。ステップ（ａ）が毎秒行われることが好ましい。
【００６９】
前記交流発電機の出力を測定するステップが、前記交流発電機の出力に由来する出力電圧Ｖの測定と、前記交流発電機の出力に由来する出力電流の測定と、出力＝Ｖ×Ｉの計算とを含む。あるいは、前記交流発電機の出力を測定するステップが、独立した出力測定装置による出力の測定を含む。
【００７０】
前記方法が、第１の周波数から第２の周波数への交流電圧の変換をさらに含むことが好ましい。前記第１の周波数が前記第２の周波数よりも高く、前記第２の周波数がおよそ幹線給電の周波数であることが好ましい。前記電圧の変換ステップが、整流回路を使用して交流発電機が出力する電圧を整流し、それによって直流電圧を導くステップと、電力調整ユニットを使用して前記直流電圧から交流電圧を発生させるステップとを含むことが好ましい。
【００７１】
前記方法が、最後に測定した出力の値を保存することをさらに含むことが好ましい。
【００７２】
本発明は、プログラム可能な制御システムであって、プロセッサと、メモリと、前記電気機械変換ユニットに接続されるインターフェースと、ユーザーインタフェースとを含む、添付の請求の範囲のいずれかに記載の方法を実行するために最適にプログラムした前記制御システムをさらに提供する。
【００７３】
本発明の利点は、効率を最大にし、小型で高速なシステムおよび特に低電力ユニットに適用可能であるシステムおよび技術を可能にすることである。
【００７４】
作動流体の浄化
クローズドシステムとして機能し、例えばランキンサイクルシステムなどのタービンのような膨張装置を用いている多くの従来のエネルギ変換システムでは、システムの様々なステージを通過し、通常は一部の地点で液状である作動流体を用いる。
【００７５】
概して、最初にシステムを充填する場合、作動流体は液体であり、したがってシステムの残りを窒素などのガスで充填しなければならない。
【００７６】
このようなシステムにおける問題は、システムの運転中に非凝縮性ガスが存在する場合に、全体的な性能が実質的に低下されうることである。これは、例えば、タービンベースのシステムでは、タービンの圧力比（入口圧力：出口圧力）をできるだけ高くするように、タービンのガスが排出時に膨張する圧力をできるだけ低くしなければならない。
【００７７】
この問題に対処しようと試みた技術が、米国特許５，１１９，６３５および５，４８７，７６５に開示されている。しかし、これらの技術では、凝縮器の外部にガスを送り出す別の装置や、ガスを冷却して作動流体を凝縮させて望ましくない非凝縮性ガスを残すこと、その後液状の作動流体をシステムに戻すことなどの要件を負うことになる。
【００７８】
本発明は、作動流体から不純物を取り除くための非常にシンプルで簡単に導入されるシステムを提供しようと努めるものである。
【００７９】
したがって、本発明の他の側面によれば、エネルギ変換システムの作動流体浄化システムであって、前記エネルギ変換システムは、そこの経路を通って循環する循環作動流体を有するクローズドシステムであり、タービンなどの膨張装置を含み、膨張タンクと、それによって前記作動流体を受け取るために接続される可変容積を定める前記膨張タンク内のダイアフラムと、前記経路と前記膨張タンクとの間に配置される制御バルブとを備え、前記制御バルブは前記可変容積を流れる流体を制御するように構成され、前記制御バルブは管路を経て前記経路の接続地点に接続され、前記接続点は前記経路の最高地点にある、前記作動流体浄化システムを提供する。
【００８０】
前記制御バルブが、前記接続地点よりも高い地点に載置されることが好ましい。前記膨張タンクが、前記制御バルブよりも高い地点に載置されることが好ましい。
【００８１】
前記システムが、制御器をさらに含み、前記制御器は前記制御バルブを開閉するように構成されることが好ましい。前記制御器が、浄化サイクルを行うように構成され、前記浄化サイクルは第１の所定の期間前記制御バルブを開き、第２の所定の期間前記制御バルブを閉じることを含むことが好ましい。前記制御器が、前記システムの電源投入後の所定時間幅の起動シーケンスにおいて、複数の前記浄化サイクルを行うように構成されることが好ましい。前記複数の浄化サイクルが、約３乃至５の浄化サイクルを含むことが好ましい。前記第１の所定の期間が約１分であり、前記第２の所定の期間が約１０分であることが好ましい。
【００８２】
前記システムが、前記制御器に接続される圧力センサをさらに備え、前記制御器は、前記センサによって示される圧力が所定のレベルを超える場合に、少なくとも１つの浄化サイクルを行うように構成されることが好ましい。前記圧力センサが、タービン（膨張装置）の出口で圧力を検出するように配置されることが好ましい。
【００８３】
本発明の別の側面では、熱源から電機エネルギを取り出すエネルギ回収システムであって、添付の請求の範囲のいずれかに記載の作動流体浄化システムと、タービンと、熱交換器と、電気機械変換ユニットと、冷却システムとを備え、使用時に前記熱交換器が前記作動流体を前記タービンに供給する、前記エネルギ回収システムを提供する。
【実施例】
【００８４】
以下、本発明を実施例を通じて添付図面を参照して以下に説明する。
【００８５】
同じ要素には同じ符号が用いられる図面を参照して、図１（ａ）は、本発明の一側面によるエネルギ回収システム１００の模式的な概要である。本願明細書の「エネルギ回収システム」という記述は、利用しなければ無駄になるエネルギ源（例えば熱）からエネルギ（例えば電気）を回収するエネルギ回収システム、および元の（熱）エネルギが必ずしも無駄にならずに既存の形態（例えば、少なくとも建造物の暖房）に使用される環境において、ある形態（例えば熱）から別の形態（例えば電気）にエネルギを変換するエネルギ変換システムを指すことを含む。
【００８６】
主熱交換器１０２は、システムが回収しようとする熱エネルギを取り入れて加熱された熱源流体を受け取る、少なくとも１つの熱源流体吸気口１０４を有する。主熱交換器１０２に入る時の熱源流体の温度をｔ１で表す。
【００８７】
主熱交換器１０２は、熱源の例として熱風、蒸気、熱油、エンジンからの排気ガス、製造工程の廃棄熱流体、およびマイクロタービンベースの発電システム、ＩＣエンジンベースの電力発生システム、廃ガスを燃焼させるフレアスタックなどからの排出流体などが挙げられる、いずれかの熱源で駆動することが可能である。この代わりに、熱源は、主熱交換器１０２のための熱源流体を形成する好適な流体（例えば熱伝達油）を加熱する太陽熱エネルギであってもよい。
【００８８】
一時的に図２を参照して、これは、本発明の一側面による１つの廃熱源の起源の概略図である。廃エネルギの重要な例は、ガソリン、ディーゼルまたはガスを燃料とする往復動またはタービンの偏在する内燃機関である。最も単純なサイクルの化石燃料エンジン（超大型の発電所または船舶機関以外）は、３５乃至４０％の効率となる。これは、エンジンを駆動するために使用する燃料からのエネルギのうちの６０乃至６５％を廃熱として失っていることを意味する。
【００８９】
図１（ａ）に戻って、熱源流体は、低下した温度ｔ２で少なくとも１つの熱源流体排気口１０６を経て主熱交換器１０２を抜ける。
【００９０】
クロスカウンタ流れ型に最適な主熱交換器１０２は、システムの作動流体をそれぞれ（温度ｔ３で流体として）受け取り、（温度ｔ４で）送り出す、作動流体吸気口１０８および作動流体排気口１１０も有する。主熱交換器１０２内で加熱および蒸発される作動流体は、その熱力学的および化学的特性がシステム設計に好適であり、使用可能な温度よおよび圧力であるように慎重に選択する。一実施態様では、作動流体はＨＦＥ−７１００である。
【００９１】
ガス状の作動流体は、主熱交換器１０２の作動流体排気口１１０から抜けたあとタービンユニット１１４のタービン吸気口１１２へ矢印Ａの方向に流れる。作動流体は、圧力ｐ１でタービンユニット１１４に到達し、タービンユニット１１４内のタービンシャフト１１６に載置されるタービン（図示せず）の駆動時に熱と圧力を失い、実質的にｐ１よりも低い、圧力ｐ２でタービン排気口１１８を経てタービンユニット１１４を抜ける。一実施態様では、圧力ｐ１は絶対圧力１１．５ｂａｒであり、圧力ｐ２は絶対圧力１．０ｂａｒである。
【００９２】
一実施態様では、タービン軸１１６はベアリング（図示せず）に載置され、交流発電機１２０に接続され、例えば、タービンおよび交流発電機の電機子（図示せず）は、共通軸１１６に載置される。このように、タービン軸１１６の高速回転によって交流発電機１２０に電気エネルギが発生し、それに伴う電圧が交流発電機出力１２２に現れる。交流発電機１２０に対するタービン軸１１６の連結器は、さらに本願明細書において図３乃至５を参照して下記に述べる。
【００９３】
作動流体は、タービン排出口１１８から抜けたあと矢印Ｂの方向で、タービンの排気を使用する作動流体の予熱器として機能する第２の熱交換器１２６の吸気口１２４へ進む。したがって、作動流体は、温度ｔ５で第２の熱交換器１２６へ入り、より低い温度ｔ６で排気口１２８を経て抜ける。同時に、第２の熱交換器は、その沸点よりも低くかつ液状で温度ｔ７で吸気口１３０を経て（矢印Ｃの方向に）流れる作動流体を受け取る。第２の熱交換器１２６では、熱的なエネルギが吸気口１３０に到達している作動流体の流れに移動され、作動流体は温度ｔ３で排気口１３２を経て抜け、主熱交換器１０２の吸気口１０８へ（矢印Ｄの方向に）流れる。
【００９４】
本システムは、冷水が吸気口１３６を経て到達し、排気口１３８を経て抜ける凝縮ユニット（または冷水器）も含む。作動時に、矢印Ｅの方向に流れ、吸気口１４０を経て凝縮ユニット１３４に到達する第２の熱交換器からの作動流体は、凝縮ユニット１３４内で冷却および液体に凝縮され、その後排気口１４２を経て抜ける。この液体の作動流体は（温度ｔ７で）、ポンプ１４４によってバルブ１４６を経て矢印Ｃの方向に移動され、このサイクルを最初からもう一度はじめるように第２の熱交換器に到達した作動流体の第２の供給を形成する。一実施態様では、独立流体管路１６０は、潤滑のために液体の作動流体をタービンユニット１１４および交流発電機１２０を接続するベアリングに供給する。
【００９５】
したがって、システムはランキンサイクルで作動し、様々な段階を介して単純に循環する作動流体を流出または消耗させないように密封される。
【００９６】
一実施態様では、システムはシステムによって電力出力を制御する制御システム１５０を含む。大部分の既存のランキンサイクル機関は、グリッド供給と同じ周波数で運転される同期交流発電機を備えた低速ユニットである。タービンの速度および出力制御は、一般にタービンを迂回するバルブによるものである。しかし、本発明の一側面によるシステムは高速交流発電機１２０および好ましくは高周波数の交流発電機の出力を幹線周波数に変換するために使用する電力調整ユニットを用いる。
【００９７】
より詳しくは、制御システムは、中間電子機器１５１、電力調整ユニット（ＰＣＵ）１５２、および制御器１５４を含む。出力１２２で交流発電機１２２が出力した電力は、タービン軸の高速回転により非常に高い周波数であり、図１（ｂ）にさらに詳細に示す中間電子機器１５１によって変更される。
【００９８】
図１（ｂ）を参照して、交流発電機１２０の出力１２２は、概して１５１で示される中間電子機器の入力１６０（３つは３相交流発電機用である）に接続される。中間電子機器１５１の第１のステージは、各々のラインの電圧を高めるためのオプションの変圧器ステージ１６２である。必要に応じて、これによってＰＣＵ  １５２の出力において完全な２４０Ｖの正弦波を発生できるＰＣＵ  １５２に最終的に現れる十分な直流電圧が確保される。しかし、ある種の実施態様では、交流発電機１２０が出力する電圧レベルは変圧器ステージ１６２を省略できるくらい十分に高い。
【００９９】
次に、１６４で変圧器ステージ１６２が出力する電圧は、周知のように６つで一組の整流ダイオード１６８を備える整流ステージ１６６に移動する。したがって、整流された近直流電圧は整流ステージ１６６の出力１７０で供給され、正常動作状態では、中間電子機器１５１の出力１７２に現れる。
【０１００】
グリッド接続が突然失われると、全ての交流発電機の負荷が失われることになる。これによって交流発電機１２０の過回転が生じることがあり、したがってタービンを迂回させるダンプバルブ（図示せず）とともに、グリッド接続の喪失時に交流発電機１２０に負荷を与えるダンプ抵抗器１５８を含む安全ステージを含む中間電子機器で過回転を防止する。
【０１０１】
トランジスタ１７６は、ダンプ抵抗器１５８に直列で出力１７２と交差し、過回転検出ユニット（図示せず）によって作動されるトランジスタ１７６のベースｂを有する。後者は、ＰＷＭ信号をトランジスタ１７６に供給し、過回転が高くなるほどダンプ抵抗器１５８がより大きな負荷を与えるように、その負荷サイクルは、過回転の程度に比例する。
【０１０２】
図１（ｂ）から分かるように、出力１７２（本明細書でｄｃバスと称する）で供給される電力は、電圧Ｖおよび電流Ｉであり、これがＰＣＵ  １５２に供給される。従来技術において周知であるＰＣＵ  １５２は、幹線周波数（英国内で５０Ｈｚ）および電圧（英国内で２４０Ｖ）で電力を直流から交流に変換するように構成される。また、ＰＣＵはシステムの出力する電力を調整するために直流バス電圧を変化させることができる。
【０１０３】
電力調整ユニット１５２の直流バス電圧（図１（ｂ）のＶ）を変化させることによって、タービン軸１１６の速度を調整する。バス電圧を減じることによって、交流発電機１２０の負荷を増加させ、交流発電機から取り出す電流をより多くさせる。逆に、バス電圧を増加させることによって、交流発電機の電流を減少させる。バス電圧の変化の前後の電力を計算する（例えば、式Ｐ＝ＶＩまたは電力測定装置を用いる）ことによって、電力がバス電圧の変化によって増加したか減少したかを特定することができる。これによって、交流発電機１２０が出力する最大電力点を見出し、その後バス電圧を変化させることによって継続的に「調査」することが可能となる。
【０１０４】
一実施態様では、無負荷で交流発電機が供給する電圧は、交流発電機１２０の最大定格速度である４５，０００ｒｐｍでの３つの相のそれぞれについて２９０Ｖａｃ（全ての電圧はライン間で測定する）である。電力を発生させることができる最低速度は、無負荷での電圧が１８０Ｖａｃである点において２８，０００ｒｐｍである。負荷を増加させることによっても、交流発電機の電圧が減少することになり、例えば、４５，０００ｒｐｍでの電圧は６．３ｋＷで２１０Ｖａｃとなる。
【０１０５】
バス電圧を変化させることによって出力した電力の制御は、好適なアナログまたはデジタル電子機器、マイクロコントローラなどによって行ってもよい。また、制御器１５４のようなパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を使用して手動で制御してもよい。しかし、出力した電力は、制御器１５４のような最適にプログラムしたＰＣまたは他の計算機を使用して自動的に制御することが好ましい。いずれにしても、このＰＣは、周知のようにＲＳ４２２またはＲＳ４８５アダプタを使用することも可能であるが、ＲＳ２３２シリアル通信装置によってＰＣＵ１５２と通信を行う。したがって、ＰＣは常にＶおよびＩの測定値を有することが可能で、それによって瞬間的な電力を知ることができる。
【０１０６】
自動ＰＣ制御の場合、制御方法は、以下を実行する好適なソフトウェアによって行うことが可能である。
・システムがＯＮのときは、以下を行う
・・・１つの電圧ステップずつバス電圧を増加させる
・・・新しい電力（＝ＶＩ）を測定する
・・・新しい電力が以前の電力以下の場合には、電圧を１つのステップずつ減少させ、以下を行う
・・・・・１つの電圧ステップずつ電圧を減少させる
・・・・・新しい電力が以前の電力以下のとき、新しい電力を測定する
・・・そうでなければ、以下を行う
・・・・・１つの電圧ステップずつ電圧を増加させる
・・・・・新しい電力が以前の電力以下のとき、新しい電力を測定する。
【０１０７】
当業者は、電圧ステップのサイズが、作動条件によって決定され、最適に決定された平均バス電圧のごくわずか（例えば、１乃至２．５％）であることを理解されたい。一実施態様では、電圧ステップの変更が毎秒行われる。
【０１０８】
システムに組み込まれる他の１つの選択的特徴は、図１において一般に１７０で示される作動流体浄化システムである。上述のように、システムの運転中に非凝縮性ガスが存在する場合に、全体的な性能が実質的に低下すること、すなわちタービンの圧力比が実際よりも低くなることがある。例えば、本願明細書の例で説明されるタービンにおいて、入力圧力ｐ１は２０ｂａｒになると予測され、出力圧力ｐ２が目的とする１ｂａｒではなく２ｂａｒであり、圧力比は２０ではなく１０であり、性能を著しく低下させる。
【０１０９】
最初にシステムを充填する場合、作動流体は液体であり、したがってシステムの残りを窒素などのガスで充填しなければならないことが難点である。このステップを行う場合、システム内の窒素の量を減じるために、圧力を大気圧以下に下げることができる。しかし、圧力は大きく下げることができず、さもなければポンプにキャビテーションが生じることになる。したがって、システムから不要なガスを取り除くための最適な状態は、システムの運転中である。
【０１１０】
作動流体浄化システム１７０は、一端が第２の熱交換器（予熱器）の地点Ｑで接続され、他端が、一例としてセントラルヒーティングシステムに使用される膨張タンク型であってもよい、膨張タンク１７６のベース出入口ポート１７６にあることができる制御バルブ１７４で接続される管路１７２を含む。膨張タンク１７６は、その下部に可変容量Ｖのガスおよび／または液体を含むことが可能になるように、可撓膜またはダイアフラム１７８を有する。
【０１１１】
以下に述べられる例（６ｋＷのシステム）は、次のような容量である。
【０１１２】
システム容量  ７０リットル
流体容量  １８リットル
膨張タンク容量  ５０リットル
以上のように、システムを最初に充填する場合、５２リットルの窒素があることになる。真空ポンプでこのガスの圧力を下げることによって、膨張タンクに保持すべきガスの量が減少するが、これをより少なくできることを意味する。このポンピングによって、ダイアフラム１７８が膨張タンクで下方に膨張し、タンク全体か、またはほぼその全てを形成して、ガスの受け取りに利用できる。
【０１１３】
窒素ガスは、作動流体蒸気よりも密度が低く、システム内の最高地点に溜まる傾向がある。この地点（図１のＱ）では、流体を膨張タンク１７６に取り出すことができ、ダイアフラム１７８が膨張して容量Ｖを増大することができる。すなわち、制御バルブ１７４を開くことによって、ガスがゆっくりと膨張タンク１７６に移動することができる。窒素の密度が作動流体よりも低くなると、膨張タンク１７６の内容物の大部分がごくわずかの作動流体を有する窒素となる。
【０１１４】
バルブ１７４を閉じると、膨張タンク１７６およびその内容物が自然に冷却され、作動流体を凝縮する。次に制御バルブ１７６を開くと、（現在は液体の）作動流体が（制御バルブ１７４および管路１７２を経て）重力を受けてシステムの主回路に戻るが、一方で非凝縮性ガスはその低い密度により膨張タンク１７６に留まる傾向がある。（ａ）一定期間制御バルブを開き、続けて（ｂ）一定期間制御バルブを閉じる、というサイクルが作動流体の浄化に使用され、膨張タンク１７６内の窒素をできるだけ多く集めるために、エネルギ回収システムの起動中にこのサイクルを数回（例えば、３乃至５回）繰り返すことが可能である。上述の（６ｋＷ）システムでは、制御バルブ１７４を１分間開き、１０分間閉じる。制御バルブ１７４の開閉は手動で行うか、またはこの場合の制御器１５４である好適な制御器によって行うことが可能である。
【０１１５】
システムは制御器１５４に接続された圧力センサも含むことが好ましく、この圧力センサは膨張装置（タービン）の出口での圧力を検出するように配置される。また、浄化サイクルはシステムの通常運転中に圧力が増加し始めた場合に繰り返すことが可能であり、圧力は、所定の安全な閾値を超えたことを圧力センサで検出する。
【０１１６】
図３は、図１のタービンおよび交流発電機の連結器をより詳細に示すものである。ここで、タービンユニットは一般に１１４で示され、交流発電機は一般に１２０で示される。タービン軸は、軸線３０２の周囲を回転し、交流発電機１２０のローター３０６の一部を形成するセクション３０４と一体的である。一般に、部分的に円筒の永久磁石３０８は、軸１１６のセクション３０４に配置される。保持円筒３０９は、磁石３０８を軸１１６の一定に場所に保持し、この保持円筒（ＣＦＲＰなどの非磁性材料製）は、軸１１６の高速回転中に磁石３０８が外れないようにする。ステータ３１１は、電流を発生させる複数の巻き線（図示せず）を組み込んでおり、ローター３０６の周りに載置され、周知のようにハウジング３１０内に封入される。軸１１６のセクション３０４は、ハウジング３１０の一端でジャーナルベアリング３１２によって支持され、他端を一般に３１４で示されるベアリングによって支持されるが、詳細は以下に述べる。
【０１１７】
図４は、図３のタービン−ベアリング連結器の拡大図である。図に示すように、タービンユニット１１４は、第１のタービンステージ４０２および第２のタービンステージ４０４を含む。タービンユニットハウジング４０８内の空間４０６に（圧力ｐ１で）存在する高温高圧の作動流体は、第１のタービンステージ４０２の吸気口４１０を経て入り、軸１１６に確実に固定される第１の一連の羽根４１２に入射するように、矢印Ｆの方向に流れる。作動流体が高速に流れることによって回転エネルギを軸１１６に与える。作動流体は第１のタービンステージを（圧力ｐ３で）抜けると、矢印Ｇの方向に流れる。
【０１１８】
次に、作動流体は（中間）圧力ｐ３（実質的にｐ１よりも低いがそれでも依然として高い）で管路４１３を経て次のタービンステージ４０４に移動する。ここで、作動流体は第２のタービンステージ４０４を経て入り、軸１１６に確実に固定される第２の一連の羽根４１６に入射するように、矢印Ｈの方向に流れる。作動流体が高速に流れることによって更なる回転エネルギを軸１１６に与える。作動流体は第２のタービンステージを（圧力ｐ２で）抜けると、矢印Ｊの方向に流れる。したがって、ｐ１＞ｐ３＞ｐ２となる。
【０１１９】
図に示すように、第２のタービンステージ４０４の羽根４１６の軸方向および半径方向の寸法は、第１のタービンステージ４０２の羽根４１２のそれらよりも大きい。一実施態様では、同じ直径の２つのタービンステージがあり、第１のタービンステージの軸方向寸法は直径の３／１０であり、第２のタービンステージの軸方向寸法は直径の４／１０である。別の実施態様では、３つのタービンステージがある。第１、第２、および第３のタービンステージの直径は、４：５：６の比率である。第１のタービンステージの軸方向寸法は、０．３７５×それぞれの直径である。第２のタービンステージの軸方向寸法は、０．３５×それぞれの直径である。第１のタービンステージの軸方向寸法は、０．３３×それぞれの直径である。
【０１２０】
タービンステージを製造する際の材料の選択が重要である。本システムの一実施態様ではアルミニウム（Ａｌ３５４：高強度鋳造合金）を使用し、より大きな（１２０ｋＷ）システムではステンレス鋼（Ｅ３Ｎ）を使用する。
【０１２１】
この材料の主な要件は、密度に対する高い比率の最大抗張力を有することである。高速回転する場合、物質密度が高くなれば、タービンの応力がより高くなり、したがってより高密度な材料が比例的に高い強度を有することが必要となる。
【０１２２】
一実施態様によれば、複数の羽根を組み込んでいるタービンステージ（タービンホイールとも称する）は、例えば４０％の炭素繊維を含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのエンジニアリングプラスチック製である。このような材料は、タービンホイールを射出成形によって製造できるので、コストが非常に低いという利点を有する。プラスチック製のタービンホイールは、好適な固定技術を使用して、例えば鋼製の軸に載置される。様々なタービン材料の特性を表１に示す。
【表１】
2007503546.tif 000003
【０１２３】
表１から明らかなように、最良の材料（最高のＵＴＳ／密度比率）は、ＰＥＥＫ  ４０％  ＣＦである。他の２つの高性能プラスチック（Ｕｌｔｅｒｎ  ２４００およびＶａｌｏｘ  ８６５）も表１に含み、タービンステージの製造に利用可能で最適なプラスチックの範囲を示す。プラスチック（表１の最後の３行）の使用において考慮することは、用いることができる動作温度（タービン吸気口の温度）への影響である。一方、アルミニウム製タービンを備えたシステムでは、この温度は最高２００℃であり、ステンレス鋼製タービンを備えたものよりも高くなり、例えばＰＥＥＫ  ４０％  ＣＦ製タービンを備えたものでは最高１５０℃でしか使用できない。後者の場合、システム１００全体のサイクルはこの動作温度を考慮して設計される。
【０１２４】
図４に戻って、ワッシャ４１８はタービンステージ４０４の肩４２０に固定して取り付けられ、その別の面はベアリング部材４２２に当接するが、詳細は以下に述べる。動作時に、作動流体が潤滑を行うようにワッシャ４１８とベアリング部材４２２との間の空間に浸透する。
【０１２５】
ベアリング部材４２２は、一般にＴ字状の横断面を有する。それは、Ｔ字状の上の隆起部に第１のベアリング面４２４を含み、使用時にこの面は第２のベアリング面４２６に対向して配置され、実質的に同じ環形状およびサイズであり、電機子セクション３０４の近くの軸１１６上にある。ベアリング部材４２２は、中央の円筒状の溝４２８を有し、それによって軸１１６の外側の第４のベアリング面４３２に対向して配置されるベアリング部材４２２上に円筒状の第３のベアリング面４３０を画定する。第５のベアリング面４３４は、ベアリング部材４２２の第１のベアリング面４２４に対向するその端面に提供され、ワッシャ４１８のそれぞれの面に対向して配置される。一実施態様では、作動流体はベアリング部材４２２の対向するベアリング面４２４、４３０、および４３４によって画定される全ての空間に浸透し、それによってベアリングを潤滑する。一実施態様では、作動流体は流体パイプ１６０を経てポンプ１４４（図１（ａ）参照）から液体として提供され、主な流れから独立してベアリング部材４２２の外表面に伝わる。
【０１２６】
この形態のベアリングが双方向性スラストベアリングを提供すると理解されたい。ベアリング部材４２２は、２つベアリング面４２４および４３４を有し、スラスト力を２方向から受け取ることができる。
【０１２７】
図５は、流体の流れを示す図４のベアリングに用いられるベアリング部材４２２をより詳細に示すものである。図（ａ）は、第１のベアリング面４２４を示す端面図である。Ｔ字の上部を形成するフランジ５０２は、ベアリング部材４２２を交流発電機１２０のハウジング３１０にねじ込むかまたはボルトで固定できるように２つのネジ穴５０４を有する。等間隔に放射状に延在する６つの第１の細長い凹部（スロット）が第１のベアリング面４２４に配置され、第１のベアリング面４２４の半径方向の内側端から第１のベアリング面４２４の半径方向の外側端に向かって延在し、潤滑流体が通過できる。図５（ｂ）に示すように、各凹部５０６は第１のベアリング面４２４の外側端５０８には到達しない。図５（ａ）の実施態様では、各凹部５０６は軸方向に延在している第２の潤滑溝５１０を有するが、以下に述べる円周の凹部（または溝）へ延在する。
【０１２８】
他の実施態様では、各凹部５０６に第２の潤滑溝５１０がないものがあり、例えば、図５（ｃ）は、第２の潤滑溝５１０が凹部５０６のうちの２つだけに提供される場合を示す。
【０１２９】
図５（ｄ）を参照して、環状に延在する凹部（溝）５１２が、ベアリング部材４２２のベアリングの外表面５１４に提供される。第１の潤滑溝５１６（そのうちの４つが環状に等間隔に配置される）は、環状に延在する凹部５１２とベアリング部材４２２の内側との間に延在し、潤滑流体が通過できることがわかる。図５（ｅ）に最良に示されるように、第２の潤滑溝５１０は第１のベアリング面４２４と円周の凹部５１２との間に延在する。第２の潤滑溝５１０の端部を図５（ｆ）にも示す。後者の図は、第５のベアリング面４３４に配置される複数（ここでは６つ）の第２の細長い凹部（スロット）５１６も示す。第２の細長い凹部５１６のうちの２つは、そこから上述の円周の凹部５１２に延在する第２の潤滑溝を有する。図５（ｇ）は、別の方法での凹部および溝を示す部分的な横断面である。
【０１３０】
図５（ｅ）に戻って、潤滑流体は、矢印Ｋの方向でベアリング部材４２２に入る。流体は、第１のベアリング面４２４の第１の細長い凹部５０６へ矢印Ｌの方向に流れ、第５のベアリング面４３４の第２の細長い凹部５１６へ矢印Ｍの方向に流れ、またベアリング部材の内部および第３のベアリング面４３０へ矢印Ｎの方向に（用紙に向かって）流れ、それによってベアリングを潤滑する。
【０１３１】
例１
本システムの一例（６ｋＷバージョン）の特有の値を以下に示す。圧力は全てｂａｒ（絶対圧力）である。温度は全て℃である。作動流体は、ＨＦＥ-７１００である。
2007503546.tif 000004
【０１３２】
例２
本システムの一例（１２０ｋＷバージョン）の特有の値を以下に示す。圧力は全てｂａｒ（絶対圧力）である。温度は全て℃である。作動流体は、ヘキサンである。
2007503546.tif 000005
本システムの結果は、熱回収および太陽熱産業に対する非常に有用な熱力学的効率（取り込んだ熱量に対して出力した利用可能な電力）−１１０℃での熱源流体の入力に対して１０％乃至２７０℃での熱源流体の入力に対して２２％−を示す。
【０１３３】
図６を参照して、本発明の別の側面における図１（ａ）のタービンと交流発電機との別の（磁気）連結器を示す。図６（ａ）は、連結器の軸方向の横断面図であり、タービン軸６０４および第１の磁気部材６０６を形成する第１の回転部材６０２を示す。また、第１の磁気部材６０６は、鋼または鉄製であり、軸と一体的である電機子部６０８と、本願明細書で後述する複数の磁石部６１０とを備える。
【０１３４】
第１の回転部材６０２は、タービン（図示せず）および作動流体を含有するハウジング６１２の内側に密封され、ハウジングは第１の磁気部材６０６を含む円筒状部６１４を含む。少なくとも円筒状部６１４は、ステンレス鋼、ニモニック合金、またはプラスチックなどの非磁性材料である。
【０１３５】
第２の回転部材６１６は、第２の軸６１８と、それと一体的な一般に円筒状の第２の磁気部材６２０とを備える。また、第２の磁気部材は、その内部に固定して取り付けられる複数の第２の磁石部６２４を有する外部支持部材６２２を備える。
【０１３６】
図６（ｂ）に最良に示されるように、第１の回転部材６０２は、高速回転中に第１の磁石部６１０を適所に保持するように、その少なくとも円筒状部の周辺に複合材の格納容器シェル６２６を有することが可能である。格納容器シェルは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ケブラーまたはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）などの複合材製であってもよい。
【０１３７】
図６（ｃ）は、図６（ａ）のＡ−Ａでの横断面である。これは、第１の磁石部６１０および第２の磁石部６２４を詳細に示し、この場合それぞれ４つである。磁石部は、円板のセクタと同様の横断面を有して延びている。磁石部は、フェライト材料、サマリウムコバルト、またはネオジウムアイアンボロンなどの好適な材料で形成される永久磁石である。図６（ｄ）に略図で示すように、磁石部のＮ極−Ｓ極の方向は半径方向である。
【０１３８】
図６（ｅ）を参照して、これは別の実施態様を示し、第１の磁気部材６０６’および第２の磁気部材６２０’が実質的に円板状である。第１の磁気部材６０６’は、第１の載置部６２８と第１の磁石部６１０’とを備え、第２の磁気部材６２０’は、第２の載置部６３０’と第２の磁石部６２４’とを備える。上述と同様に、ハウジングの非磁性部６１４’（６１４に類似し、上述の非磁性材料製である）は、近接している円板状の磁気部材６０６’および６２０’の表面を分離する。
【０１３９】
図６（ｆ）に第１および第２の磁気部材６０６’および６２０’のうちの１つまたは両方の磁石部の極の配置を概略的に示す。図６（ｇ）にも示すように、磁石部６１０’（または６２４’）の表面の極性は、磁石部から磁石部まで接線方向に進むと交互に替わる。
【０１４０】
これらの磁石の配置によって、連結およびタービン軸６０４から交流発電機の軸６１８への回転エネルギとトルクの伝達が可能になり、例えば２５，０００乃至５０，０００ｒｐｍの比較的高速で伝達するように構成される。
【０１４１】
図７は、マイクロタービンベースのシステムの種々の図であり、（ａ）システム単体、（ｂ）リキュペレータを備えたもの、また（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ本発明の側面によるエネルギ回収システムを組み込んだ（ａ）および（ｂ）と同じシステムを示す。
【０１４２】
図７(ａ)を参照して、これは一般に７００で示されるマイクロタービンシステムを示す。このようなシステムは、概して定格が６０ｋＷのオーダーであり、中規模乃至大規模の建造物（住居用、商業用、行政機関用など）に使用され、施設内での燃料の燃焼によって電力を発生させる。
【０１４３】
マイクロタービンシステム７００は、燃料供給ライン７０４によって供給される燃焼器７０２と、空気などの酸素含有ガスを供給する空気供給管路７０６とを含む。ライン７０４を経て供給される燃料は、例えば天然ガス、ディーゼル、または灯油であってもよい。燃焼器７０２からの排気高温ガスは、排気管路７０８を経て、それらがタービン軸７１２に回転エネルギを与えるタービン７１０に運搬される。タービン軸７１２は、（例えば、周知のように、交流発電機を含み、それによって電気エネルギを発生させる）発電機７１４および圧縮機７１６の両方を駆動する。圧縮機７１６は、吸気口７１８を経て空気を取り込み、それを圧縮して圧力を高めて空気供給管路７０６を経て燃焼器７０２に提供する。
【０１４４】
タービン７１０の排気出口７２０は、概して依然高温のガスを大気中に放出し、それによって熱を消費し、排気ガス内のある程度の熱エネルギは、マイクロタービンで建造物内に熱を提供するために使用することが可能であるが、少なくとも熱の一部は高温ガスの放出時に失われる。例えば、あるシステムでは、発生する電力は６０ｋＷのオーダーとなり、発生する熱は４００ｋＷのオーダーとなりうる。システムの電気効率は、構成要素を追加することによって改善することができる。
【０１４５】
図７（ｂ）は、図７（ａ）のマイクロタービンシステム７００の別の配置を示し、ここでは、リキュペレータ７２２がさらに用いられ、タービン７１０の排気口７２０で高温排気ガスが供給される。リキュペレータ７２２は、既製の熱交換器であってよいが、この目的に最適に専用設計された熱交換器である。ここで、空気供給管路７０６は燃焼器７０２に接続されず、リキュペレータ７２２に供給する。したがって、使用時にリキュペレータ７２２はタービン７１０の排気ガスから熱を取り出し、その熱を複熱空気供給管路７２４を経て燃焼器７０２に移動される空気の余熱に使用する。リキュペレータ７２２は、それでもなおリキュペレータ排気口７２６を経て依然暖かい排気ガスを放出する。
【０１４６】
本システムのリキュペレータの効果は、表２の最初の２行に見出すことができる。
【表２】
2007503546.tif 000006
【０１４７】
２番目の２行のデータを以下に考察する。リキュペレータによる給気源の加熱が熱利用の改善をもたらし、したがって図７（ｂ）のシステムの電気効率が向上する（２６％対１６％）ことがわかる。しかし、多くのエネルギが排気ガスの熱に依然として含まれており、電気効率が最最適化されないことが不利な点である。また、リキュペレータは、高価でありかつ信頼性が低く、動作中に故障した場合には、システム全体の運転が停止する。
【０１４８】
図７（ｃ）および（ｄ）は、（ａ）および（ｂ）とそれぞれ同じシステムを示し、本発明の側面による一般に１００で示されるエネルギ回収システム（ＥＲＳ）を組み込んでいる。エネルギ回収システム１００は、図１（ａ）を参照して上述したシステムと同様に好適であり、したがってさらに詳細には述べないこととする。
【０１４９】
図７（ｃ）の配置では、タービン７１０のタービン排気７２０はライン７２８を経て中間熱交換器７３０に供給され、また使用時にタービン排気７２０での温度よりも低い温度で排気ガスを放出する中間熱交換器排出口７３２を有する。動作時に、熱伝達油（例えば、ＢＰ  Ｔｒａｎｓｃａｌ  Ｎ）は、ライン７３４および７３６を経てエネルギ回収システム１００の中間熱交換器７３０と主熱交換器（またはボイラ）との間を循環する。熱伝達油の熱は、主熱交換器の作動流体に伝達され、それによって電気エネルギが図１などを参照して上述したように導かれる熱源を供給する。
【０１５０】
図７（ｄ）の配置では、リキュペレータ排気口７２６は、中間熱交換器７３０において伝達が可能な熱量が上述の配置における熱量よりも少なくなるように熱交換器７３０に供給する。しかし、動作は同じである。
【０１５１】
中間熱交換器７３０を使用することの有益な効果には、（ランキンサイクル）エネルギ回収システムを潜在的に非常に高い排気温度から分離すること、システムのより良い制御の使用可能性、およびエネルギ回収システム１００を用いずに（すなわち、依存せずに）マイクロタービン７００の動作が可能になること、が挙げられる。
【０１５２】
更なる利益は、特定の実施例（表２の３行目および４行目を参照）、この場合は６０ｋＷのマイクロタービンを考察する場合に明白である。
１．システムの全体の電気効率が実質的に増加する。図７（ｃ）のシステムでは、ほぼ図７（ｂ）の複熱システムのレベルにまで増加する。複熱システム（図７（ｄ））では、このサイズのユニットに対しては高いほぼ３５％にまで増加する。
２．全体的な電気出力が増加する。非複熱マイクロタービン（図７（ｃ））は現在９２．５ｋＷを提供し、複熱マイクロタービン（図７（ｄ））は７４．５  ｋＷを提供する。
【０１５３】
図に示すように、図７（ｂ）のシステムのリキュペレータ７２２とは異なり、エネルギ回収システム１００を使用することの更なる利点は、動作中にシステムが故障または停止しなければならない場合、マイクロタービンシステム７００は影響を受けず、エネルギ回収システム１００の状態に関わらず運転を続けられることである。本システムの唯一の欠点は、排気内の利用可能な熱（表２の５列目）が現在非常に低いということである。現在約５０℃で排気されるが、低すぎるために多くを利用できない。しかし、より有用な電力を取り出すことが目的である。
【０１５４】
図８は（ａ）ＩＣエンジンベースのエネルギ発生システム、および（ｂ）本発明の別の側面によるエネルギ回収システムを組み込んだ同じシステムを示す。図８（ａ）を参照して、一般に８００で示されるエネルギ発生システムは、燃料供給ライン８０４と空気供給ライン８０６とを有する往復ＩＣエンジン８０２を含む。ＩＣエンジン８０２の冷却は、動作中にエンジンの温度を下げる冷却水入口８０８および出口８１０によって容易になる。周知の技術を使用するＩＣエンジンは、歯車、連結器など、および必要に応じて例えば交流発電機などの発電機８１４への軸８１２を経て駆動力を提供する。周知のように本システムでは、高温の排気ガスは、ＩＣエンジン８０２の排気工程中に排気出口８１６を経て送られる。これらの高温ガスは、熱および電力を組み合わせたアプリケーションに使用される排気ガス熱交換器またはボイラ８１８に供給される。
【０１５５】
図８（ｂ）は、図１（ａ）のエネルギ回収システム１００を組み込んだ図８（ａ）のシステムを示す。ここでは、ボイラ８１８を、ライン７３４および７３６が提供する熱伝達油回路によって熱をエネルギ回収システム１００に伝達する（図７（ｃ）のような）中間熱交換器７３０と置き換えている。
【０１５６】
図８（ｂ）のシステムでは、出口８１０から排出されるエンジン冷却水は、熱にも利用可能であり、これは本システムのエネルギ回収システムの配置による影響を受けない。
【０１５７】
図７（ｃ）および（ｄ）のシステムと同様に、エネルギ回収システム１００が存在することによって電力出力が増加し、電気効率が高まる。表３は、代表的な９０ｋＷの往復運動天然ガスエンジンの結果を示す。
【表３】
2007503546.tif 000007
【０１５８】
図９は、本発明の別の側面によるエネルギ回収システム１００を組み込んだフレアスタックベースのエネルギ発生システムを示す。フレアスタックは、可燃性のガスを取り入れて過剰な、または廃棄物のガスを供給する埋立地、油田および他の場所に用いられるタワー状の構造物である。
【０１５９】
埋立地では、埋立地ガスが発生し、これを処理しなければならず、また非常に汚染することが多い。埋立地ガスは、主に多くの不純物を有するメタンである。１つの代表的な地域での組成を表４に示す。しかし、他の地域の報告ではメタンが５０％を越えおり、成分の種類および量は、埋立地の廃棄物の種類によって著しく変化する。
【表４】
2007503546.tif 000008
【０１６０】
図９に戻って、そこに見られるように、フレアスタック９００は、空気が送風機９０４を経て送られるベースステージ９０２を含む。ベースセクションの真上には燃焼器ステージ９０４があり、埋立地ガスが（ポンプを含めて）吸気口９０６を経て送られる。燃焼器ステージ９０４の上には混合器ステージ９０８があり、埋立地ガスを吸気口９１０を経て混合器ステージ９０８へ取り込まれる供給空気と混合する。
【０１６１】
図７および図８の実施態様と同様に、中間熱交換器７３０は、ここではスタック９００の上部ステージとして提供される。また、ライン７３４および７３６を通じて循環する熱伝達油を使用することによって、中間熱交換器７３０は図１（ａ）に関連して上述したエネルギ回収システム１００の主熱交換器１０２に熱源を供給する。
【０１６２】
フレアスタックの代表的な熱出力は、約５ＭＷほどである。中間熱伝達油回路を経てエネルギ回収システム１００を使用することによって、スタックの排気から熱を回収することができる。エネルギ回収システム１００が発生する電力は、グリッドに伝えることができる。この代わりに、またはさらに、エネルギ回収システム１００が送風機９０４に電気的に接続され、システムを電気的に駆動する。スタック９００（ベースステージ９０２で）への空気を増した送風によって、燃焼温度を低くすることによってスタック自身からの排出が減じられ、窒素酸化物の排出をこのように減じることができる。さらに、熱交換器７３０の追加によるスタック９００内に存在する時間を長くすることによって、化学反応を生じさせるための時間がより長くなり、それによってスタックからの有害な排出物も削減される。
【０１６３】
これらの技術を用いることが可能なフレアスタックの数が、数百の国もあれば、数千の国があることをデータが示している。また、合計１ＭＷを出力するスタックに対しては、上述のシステムを使用することによって２００乃至２５０ｋＷのオーダーの電気エネルギの回収が可能になることも予想される。これは、遠隔地、地方の地域（埋立地、油田）での多数のスタックとして特に有用であり、できる限り多くの電気エネルギが現地で発電されることが特に望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１ａ】本発明の一側面によるエネルギ回収システムの模式的な概要を示す。
【図１ｂ】交流発電機の出力を改良した中間電子機器を示す。
【図２】本発明の一側面による１つの廃熱源の起源の概略図である。
【図３】図１のタービンユニットおよび交流発電機をより詳細に示す。
【図４】図３のタービン−ベアリングの拡大図である。
【図５】流体の流れを示す図４のベアリングに用いられるベアリング部材をより詳細に示す。
【図６】本発明の別の側面における図１のタービンユニットの別の（磁気）連結器および交流発電機を示す。
【図７ａ】マイクロタービンベースのシステムについて、システム単体を示す。
【図７ｂ】マイクロタービンベースのシステムについて、リキュペレータを備えたものを示す。
【図７ｃ】図７ａと同じシステムに本発明の側面によるエネルギ回収システムを組み込んだシステムを示す。
【図７ｄ】図７ｂと同じシステムに本発明の側面によるエネルギ回収システムを組み込んだシステムを示す。
【図８ａ】ＩＣエンジンベースのエネルギ発生システムを示す。
【図８ｂ】本発明の別の側面によるエネルギ回収システムを組み込んだ同じシステムを示す。
【図９】本発明の別の側面によるエネルギ回収システムを組み込んだフレアスタックベースのエネルギ発生システムを示す。
【図１ａ】
2007503546.tif 000009
【図１ｂ】
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【図２】
2007503546.tif 000011
【図３】
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【図４】
2007503546.tif 000013
【図５】
2007503546.tif 000014
【図６】
2007503546.tif 000015
【図７ａ】
2007503546.tif 000016
【図７ｂ】
2007503546.tif 000017
【図７ｃ】
2007503546.tif 000018
【図７ｄ】
2007503546.tif 000019
【図８ａ】
2007503546.tif 000020
【図８ｂ】
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【図９】
2007503546.tif 000022
【国際調査報告】
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2007503546.tif 000024
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