(57)【要約】  本発明は、熱ならびに電力を生じさせる加熱装置であって、コンプレッサー（１）、コンプレッサーから出るワーキングフローの空気を加熱する少なくとも一の熱交換器（７、８、９、１０）と、加熱された空気が膨張するタービン（２）および発電器（３）を備えている。本装置は、さらに、高温の燃焼ガスを提供するため、バーナー（５）を有し、流体的に分離されるバーナー回路であって、それが少なくとも一の熱交換器（８、９）に接続され、その一部（１、２、３）が、それ自体既知の方法により配されたものを備えている。動作中のタービン（２）がコンプレッサー（１）ならびに発電器（３）に動力を供給すると、前記発電器（３）は、内部または近隣の電気系統、および／または、加熱装置の補助装置に対して電気エネルギーを供給し、タービン（２）を出るワーキングフローの空気の少なくとも一部および／またはバーナーフローの燃焼ガスの少なくとも一部が建物または処理対象を加熱するために用いられる。
2008528867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱および電力を生じさせる加熱装置であって、
コンプレッサー（１）と、
前記コンプレッサーを出たワーキングフローの空気を加熱する、少なくとも一の熱交換器（７、８、９、１０）と、
前記ワーキングフローの前記加熱された空気が、そこで膨張するタービン（２）と、
発電器（３）と、
高温の燃焼ガスを提供するため、バーナー（５）を有するとともに、流体的に分離され(fluidly separate)、それが前記少なくとも一の熱交換器（８、９）に接続されたバーナー回路であって、その一部（１、２、３）が、それ自体既知の方法により配され、動作中の前記タービン（２）が前記コンプレッサー（１）ならびに前記発電器（３）に動力を供給すると、当該発電器（３）は、内部または近隣の電気系統、および／または、本加熱装置の補助装置に対して電気エネルギーを供給し、
前記タービン（２）を出る前記ワーキングフローの空気の少なくとも一部および／または前記バーナーフローの前記燃焼ガスの少なくとも一部が、建物(building)または処理対象(process)を加熱するために用いられること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項２】
請求項１にかかる加熱装置において、前記バーナーフローの前記燃焼ガスの少なくとも一部は、前記バーナー（５）に再循環されること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項３】
請求項１にかかる加熱装置において、前記バーナーフローの前記燃焼ガスの少なくとも一部は、内部で暖房用配管(hot-water system)または温水暖房配管(water-heating system)の循環水を加熱する熱交換器（１０）に供給されること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項４】
請求項１にかかる加熱装置において、発電器（３）からの電気出力を調整するため、コンプレッサー（１）とタービン（２）との間に流体的に設けられ、バーナー回路に接続されている熱交換器８を、バーナー側あるいはコンプレッサー／タービン側にバイパスすること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項５】
請求項１にかかる加熱装置において、前記タービン（２）を出る前記ワーキングフローの前記空気の少なくとも一部が、前記バーナー（５）に供給されること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項６】
請求項１にかかる加熱装置において、前記ワーキングフローの前記空気の少なくとも一部を、前記熱交換器（１０）の前に取り込み、前記建物あるいは前記処理対象を加熱するため直接用いること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項７】
請求項１にかかる加熱装置において、前記シャフト（４）の回転速度を、前記発電器（３）の電気負荷により制御すること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項８】
請求項１にかかる加熱装置において、迅速な発電の開始を可能にするため、高速で回転する前記シャフト４を、少なくとも常時アイドリング速度で回転させること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項９】
請求項１にかかる加熱装置において、本システムによって生み出されるエネルギーの総量を制御するため、燃料の消費量を変更すること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項１０】
請求項１にかかる加熱装置において、バッテリーあるいはキャパシターは、本加熱装置の通常運転時におけるエネルギーを蓄積するとともに、ブラックスタート能力(black start capability)を提供するため、電力供給網(power grid)が故障(down)した場合、本加熱装置に対しエネルギーを供給すること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項１１】
請求項１にかかる加熱装置において、前記ワーキングフローの前記空気ならびに前記バーナーフローの前記燃焼ガスは、前記ワーキングフローの高圧空気が前記パイプならびに燃焼ガスを含むシステムを実質的に囲むよう配されること、
を特徴とする加熱装置。
【請求項１２】
請求項１にかかる加熱装置において、前記ワーキングフローの流量ならびに空気圧を制御するため、前記コンプレッサー（１）の吸気口にバルブを設けること、
を特徴とする加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内または他の小規模な加熱に適した加熱装置であって、発電を行うものに関する。したがって、本装置は、高い総合効率とともに、高信頼性を有する。
【背景技術】
【０００２】
電力価格は、確実に上昇しつつある。これは、限りある資源である化石燃料のコストが上昇しているからである。したがって、できるだけ高い効率で電力を作り出すことが重要である。
【０００３】
これを達成するための方法の一つは、今日、主に大規模な産業に用いられている熱電複合生成を用いることである。かかる電力は、その近くで用いても、および／または、電力網に供給することもできる。
【０００４】
現在のところ、例えばローカル用等の極小規模で発電までするのに適したシステムは存在しない。現在存するのは、冷却水および排気中の熱損失を回復させ、利用可能な熱に変換する、小型のピストンエンジンを基にした発電器の組み合わせである。また現在、小規模で用いるための小型のスターリングエンジンならびに燃料電池の開発が進行中である。これらの主な特徴には、コストが非常に低いこと、メインテナンスが非常に簡単であること、ならびに、環境への悪影響が少ないことが挙げられる。しかし、今日、上述のどの技術もこれら全ての特性を達成することができていない。
【０００５】
【特許文献１】なし
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、バーナーの近隣に統合された少なくとも一の熱交換器、ならびに、そこに発電器、コンプレッサーおよびタービンが取り付けられている高速シャフト、を備えた加熱装置によって達成される。流体的に分離された二つのフローの流れが存在し、その一つはバーナーを通るバーナーフローと呼ばれている。このフローは、従来のボイラーで使われているのと同じタイプのバーナーを使うことを可能にする、大気圧に近い圧力である。もう一つのフローは、ワーキングフローと呼ばれ、これがコンプレッサーに入る。
【０００７】
本発明の第一の実施形態において、前記バーナーフローは、少なくとも一の熱交換器を通過する。バーナーフローからの熱は、そこで、同じ熱交換器の他の側面を通過するワーキングフローに伝達される。加熱されたワーキングフローは、コンプレッサーならびに発電器を駆動するタービンを介して膨張する。次に、かかるワーキングフローは、他の側面を通過する水に対し当該ワーキングフローの全部または一部の熱を伝達可能となるよう水熱交換器(water heat exchanger)に接続される。この加熱された水は、建物を暖房するために用いても、あるいは、処理対象のため用いるようにしてもよい。この高温のワーキングフローは、建物を直接暖房するために用いてもよい。また、建物用に水または空気を加熱し、あるいは、処理対象を直接加熱するため、熱交換器に高温の燃焼ガスを導くようにしてもよい。
【０００８】
また、本システムは、発電器で発電された高周波電力を負荷に合致する条件に変換するパワーエレクトロニクスを含んでいる。具体的なアプリケーションならびにその条件にもよるが、本システムには、例えば、利用可能な熱とともに、本システムによって生成された電力をほどよく調整し、さらに、バーナー内の燃焼を制御することを可能にする、バルブも存する。
【０００９】
メインテナンスがほとんど必要ないようにするとともに、本システムでのオイルの使用を最小限にするため、高速シャフトは、空気ベアリングあるいは電磁ベアリングによって支持することが好ましい。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００１０】
本発明の発電機を有する加熱装置は、開放ブレイトンサイクルを用い、図１に示すように、メインシャフト４により互いに接続されているコンプレッサー１ならびにタービン２の周囲に構築される。コンプレッサー１ならびにタービン２の両方は、本装置を流れる空気を汚染しないようにするため、空気ベアリングまたは電磁ベアリングによって支持されていることが好ましい。メインシャフト４には、発電器３も取り付けられている。本装置は、さらに、それに対し制御可能なファン６が空気を供給し、空気と燃料の適切な混合気を燃焼させるバーナー５を備えている。例えば、建物を暖房または処理対象を加熱し、あるいは、バーナー２に入る空気を予め加熱し、タービン２を通過した後の高温のワーキングフローから熱Ｑを回収するため、バーナー５内の燃焼による熱をタービン２を通過する空気に伝達するよう、少なくとも一の熱交換器７、８、９、１０が本装置に関連づけられる。
【００１１】
本装置の動作を説明するため、文字a-f、j、k、m-rが様々なパイプを表す本装置の詳細を以下に述べる。選択された始点は、コンプレッサー１の吸気口である。
【００１２】
オプションの空気フィルター１１を介して、コンプレッサー１に新鮮な空気が入る。かかる空気は、以下で述べるように、圧力および温度が高められた状態でコンプレッサー１を出てパイプaを伝わり、そこで高温の空気によって更に加熱される熱交換器７へと進む。かかる高温の空気は、熱交換器７を出てからパイプbを介して第二の熱交換器８に入る。この熱交換器８は、以下に述べるように、バーナー５内の燃焼によって生じたガスによって加熱される。この段階で、空気は、少なくとも７５０℃まで加熱され、パイプcを通じ、かかる熱の一部が力学的エネルギーに変換されるタービン２に与えられる。このエネルギーは、一部がコンプレッサー１を駆動し、他の一部が発電のため発電器３を駆動するために用いられる。前述の空気は、上述のように、タービン２から出てパイプdを通り、残存する熱の一部がコンプレッサー１から出た空気に伝達される第一の熱交換器７に運ばれる。次に、かかるワーキングの空気は、暖房用配管あるいは温水暖房配管に接続可能で選択的に設けられた、第二の熱交換器１０を介して運ばれる。本装置を出た空気は、燃焼ガスを全く含んでおらず、どのベアリングのオイルによっても汚染されることがないので、それが選択的に設けられた前記熱交換器１０を通過した後、残存する熱を用いることにより直接建物を暖めまたは処理対象を加熱するために用いることができる。
【００１３】
燃焼による熱を提供するため、ファン６により、あるいは、流体的に分離されたバーナー回路中のパイプmを介した自然換気により、空気が供給される。燃焼空気は、熱交換器９によって予め加熱されてもよく、かかる空気は、その後、パイプnを通じてバーナー５に運ばれる。燃料は、パイプoを介して提供され、混合され、バーナー５内で燃焼する。この燃焼ガスは、上述のように、パイプqを介し、かかる熱がワーキングフローに伝達される熱交換器８に運ばれる。次に、かかる燃焼ガスは、前述のように、パイプpを介して、バーナー５へ向かう空気を予め加熱するため燃焼ガスからの熱が用いられる選択的に設けられた、前記熱交換器９に導かれる。当該燃焼ガスは、最終的にパイプrを介し、好ましくはコンプレッサー１の吸気口から離れた煙突（図示せず）を通じて、ガスタービンシステムの外に導かれる。かかる燃焼ガスは、タービン２を出るエアフローとともに、あるいは、それに代えて、建物を暖房あるいは処理対象を加熱するため用いてもよい。
【００１４】
選択的に設けられた熱交換器９の前または後のいずれかの箇所において、バーナーに対して前記燃焼ガスの一部を供給することが可能である。かかる燃焼ガスからの熱は、それにより建物を暖房し、あるいは、処理対象を加熱する、熱交換器９内の暖房用配管または温水暖房配管（図示せず）の水を加熱するため用いることができる。発電器４からの電気出力を調整するため、コンプレッサー１とタービン２との間に流体的に設けられ、バーナー回路に接続されている熱交換器８を、バーナー側あるいはコンプレッサー／タービン側にバイパスするようにしてもよい。前記タービン２を出るワーキングフローの空気の少なくとも一部を、バーナー５に供給してもよい。これは、パイプdおよびnあるいはdおよびm間の値（図示せず）によって制御される。前記ワーキングフローの空気の少なくとも一部を、水の熱交換器１０の前に取り込み、建物を暖めあるいは処理対象を加熱するため直接用いるようにしてもよい。
【００１５】
前記シャフト４の回転速度は、発電器３の電気負荷により制御するようにしてもよい。迅速な発電の開始を可能にするため、高速で回転するシャフト４を、少なくとも常時アイドリング速度で回転させるようにしてもよい。
【００１６】
本システムによって生み出されるエネルギーの総量を制御するため、燃料の消費を変更することもできる。本加熱装置の通常運転時におけるエネルギーを蓄積するとともにブラックスタート能力(black start capability)を提供し、電力供給網が故障した場合に本加熱装置に対してエネルギーを供給するため、バッテリーあるいはキャパシターを用いてもよい。
【００１７】
前記ワーキングフローの空気ならびにバーナーフローの燃焼ガスは、ワーキングフローの高圧空気がパイプならびに燃焼ガスを含むシステムを実質的に囲むよう配するようにしてもよい。ワーキングフローの流量ならびに空気圧を制御するため、コンプレッサー１の吸気口にバルブ（図示せず）を設けるようにしてもよい。
【００１８】
前記システムの起動時にコンプレッサー１を動作させるため、発電器３をモーターとして動作させてもよい。タービン−コンプレッサアセンブリから正常な動作を得るため、一旦、熱交換器８を介して燃焼による十分なエネルギーが運ばれると、本システムは自動的に稼働する(self-propelled)。
【００１９】
上述の装置は、約２３％の変換効率、すなわち、熱を電力に変換する率を有している。温水あるいは加熱空気の形で蓄えられているエネルギーも本システムから排出されるので、全体的な効率は約８０％にもなる。
【００２０】
本発明にかかる装置については、例を使って詳細な説明がなされたが、当業者にとって、添付の特許請求の範囲の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えることは明らかなことである。前記燃料は、例えば、天然ガス、ディーゼル油、燃料油（重油）、ガソリン、灯油、メタン、エタン、一酸化炭素、穀物、小麦、大麦、木材ペレット、木粉(wood meal)等のいかなる種類のバイオ燃料、等のいずれの適切な燃料であってもよい。
【００２１】
建物ならびに処理対象について述べられている場合、これは一般的な建物または処理対象を意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明は、添付の図面を参照することにより、直ちに理解することができる。
【図１】図１は、統合された発電能力を有する加熱装置の一実施形態の概略図である。
【図１】
2008528867.tif 000003
【国際調査報告】
2008528867.tif 000004
2008528867.tif 000005
2008528867.tif 000006
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