(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動圧縮機を駆動するためのシステムであって、
少なくとも１つのシリンダ（３）、前記シリンダ（３）内を摺動移動可能なピストン（７）、および、前記シリンダ（３）内の前記ピストン（７）を動かすためのクランク軸（３１）を有する往復動圧縮機（１）と、
高温端、低温端、および出力軸（６３）を有するスターリングエンジン（５０）と、
前記スターリングエンジンの前記出力軸（６３）と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）との間の駆動接続部（８３、１０７）と、
前記スターリングエンジン（５０）の前記高温端に熱を供給するために配置および構成された熱源（７１）と、
内燃エンジン（１０５）と、
前記内燃エンジン（１０５）から前記スターリングエンジン（５０）の前記高温端に廃熱を伝達するための伝熱装置（１１７）と、
を備え、
前記スターリングエンジン（５０）と前記内燃エンジン（１０５）とは、前記クランク軸（３１）の反対側に結合される、
システム。
【請求項２】
前記スターリングエンジン（５０）の前記出力軸（６３）の回転速度と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）の回転速度とが実質的に等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記スターリングエンジン（５０）の前記出力軸（６３）と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）との間に配置されるクラッチ（８５、１１１、１０９）をさらに備える、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記往復動圧縮機（１）に追加の動力を与えるために、追加の駆動装置（９１、９７）、および、前記追加の駆動装置（９１、９７）と前記往復動圧縮機（１）との間の駆動接続部（９３、１０７）をさらに備える、請求項１または２または３に記載のシステム。
【請求項５】
電気機械（９７）、および前記電気機械（９７）と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）との間の駆動接続部（９９）をさらに備える、請求項１または２または３に記載のシステム。
【請求項６】
前記電気機械（９７）の回転速度と前記往復動圧縮機（１）の回転速度とが実質的に等しい、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記電気機械（９７）と前記スターリングエンジン（５０）とが両方とも前記往復動圧縮機（１）に駆動結合されるとき、前記電気機械（９７）の回転速度と前記スターリングエンジン（５０）の前記出力軸（６３）の回転速度とが実質的に等しい、請求項５または６に記載のシステム。
【請求項８】
前記電気機械（９７）が、可変周波数駆動装置（１０３）を介して配電網（Ｇ）に結合される、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気機械（９７）が、選択的にモータモードまたは発電機モードで動作するように構成された兼用電気機械である、請求項５乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電気機械（９７）と前記往復動圧縮機（１）との間にクラッチ（１０１）をさらに備える、請求項５乃至９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１１】
前記電気機械（９７）と前記スターリングエンジン（５０）との間にクラッチ（１０９）をさらに備える、請求項５乃至１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記往復動圧縮機（１）が、前記スターリングエンジン（５０）と前記電気機械（９７）との間に配置される、請求項５乃至１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記往復動圧縮機（１）が、
前記電気機械（９７）のみによって発生する機械的動力、または
前記スターリングエンジン（５０）のみによって発生する機械的動力、または
前記スターリングエンジン（５０）および前記電気機械（９７）によって発生する動力を組み合わせた動力
によって選択的に動力を得る、請求項５乃至１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電気機械（９７）が、発電機モードで動作し、余剰の機械的動力を有用な電力に変換するように制御および構成される、請求項５乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電気機械（９７）が、前記スターリングエンジン（５０）のための始動機として動作するように構成および配置される、請求項５乃至１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記内燃エンジン（１０５）と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）との間の駆動接続部（１１５）をさらに備える、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
往復動圧縮機（１）を駆動するための方法であって、
少なくとも１つのシリンダ（３）、前記シリンダ（３）内を摺動移動可能なピストン（７）、および、前記シリンダ（３）内の前記ピストン（７）を動かすためのクランク軸（３１）を有する往復動圧縮機（１）を提供するステップと、
高温端、低温端、および出力軸（６３）を有するスターリングエンジン（５０）を提供するステップと、
前記スターリングエンジン（５０）の前記出力軸（６３）を前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）に駆動結合するステップと、
前記スターリングエンジン（５０）の前記高温端に熱エネルギーを供給し、前記スターリングエンジン（５０）によって前記熱エネルギーを機械的動力に部分的に変換するステップと、
前記機械的動力を前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）に加えるステップと、
内燃エンジン（１０５）によって発生する機械的動力を、前記スターリングエンジン（５０）が結合される端部とは反対側の前記クランク軸（３１）の端部に加えるステップと、
前記内燃エンジン（１０５）を動作させるステップと、前記内燃エンジン（１０５）からの廃熱を前記スターリングエンジン（５０）内で機械的動力に変換するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記スターリングエンジン（５０）の前記出力軸（６３）の回転速度と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）の回転速度とが実質的に等しい、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
追加の駆動装置（９１）、および、前記追加の駆動装置（９１）と前記往復動圧縮機（１）との間の駆動接続部（９３）を提供するステップと、前記追加の駆動装置（９１）によって前記往復動圧縮機（１）に追加の動力を与えるステップとをさらに含む、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
電気機械（９７）、および前記電気機械（９７）と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）との間の駆動接続部（９９）を提供するステップをさらに含む、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記電気機械（９７）と前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）とを駆動結合すること、および前記クランク軸（３１）と前記電気機械（９７）とを同じ回転速度で回転させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気機械（９７）を補助機モードで動作させ、前記電気機械（９７）によって発生する追加の機械的動力を前記往復動圧縮機（１）の前記クランク軸（３１）に追加するステップをさらに含む、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気機械（９７）を発電機モードで動作させ、前記スターリングエンジン（５０）からの余剰の機械的動力を電力に変換するステップを含む、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記電気機械（９７）によって前記スターリングエンジン（５０）を始動させるステップをさらに含む、請求項２０乃至２３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、往復動圧縮機を駆動するためのシステムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動圧縮機は、気体の圧力を上げるためにいくつかの産業分野で使用されている。往復動圧縮機は、精製装置、例えば、改質装置、水素化分解装置、および水素化処理装置プラントに典型的に用いられている。往復動圧縮機はまた、エチレンおよびその誘導体を製造するために、高分子産業にも典型的に用いられているのを見いだすことができる。
【０００３】
往復動圧縮機は典型的には電気モータによって駆動され、電気モータは、配電網からの電力によって動力を得る。いくつかの知られている実施形態では、往復動圧縮機は、往復動ディーゼルエンジンまたはオットーエンジンなどの内燃エンジンによって駆動される。他の設備では、往復動圧縮機を駆動するために蒸気タービンが使用される。したがって、圧縮機を駆動するためには、通常、高品質なエネルギーが大量に必要とされる。
【０００４】
往復動圧縮機が利用されている工業現場では通常廃熱が発生する。本開示は、往復動圧縮機駆動システムの動力消費を低減するため、熱、特に低温熱および／または廃熱を使用することを提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−８２２９５号公報
【発明の概要】
【０００６】
本開示によれば、往復動圧縮機を駆動するためのシステムが提供され、そのシステムは、
少なくとも１つのシリンダ、前記シリンダ内を摺動移動可能なピストン、および、前記シリンダ内の前記ピストンを動かすためのクランク軸を有する往復動圧縮機と、
高温端、低温端、および出力軸を有するスターリングエンジンと、
スターリングエンジンの出力軸と往復動圧縮機のクランク軸との間の駆動接続部と、
スターリングエンジンの高温端に熱を供給するために配置かつ構成された熱源と
を備える。
【０００７】
往復動圧縮機は複動式圧縮機とすることができ、１つまたは複数のシリンダと、シリンダ内に摺動可能に配置されクランク軸によって駆動されるピストンとを備えることができる。ピストンは、各ピストン棒およびクロスヘッドを介してクランク軸に接続することができる。好ましい実施形態では、スターリングエンジンは、廃熱回収（ｗｈｒ：ｗａｓｔｅ  ｈｅａｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ）を目的として熱エネルギー源からの廃熱を利用する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、燃料を燃やしてスターリングエンジンに熱エネルギーを供給するためにバーナより構成される熱源を設けることができる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、バーナは廃熱源と組み合わせることができる。
【００１０】
スターリングエンジンと往復動圧縮機とは、実質的に同じ回転速度で回転するように機械的に接続可能である。したがって、変速装置をなくすことができ、システムの全体効率を改善することができる。
【００１１】
スターリングエンジンがもたらす利用可能な機械的動力が往復動圧縮機を駆動するには不十分なとき、スターリングエンジンと組み合わせて追加の駆動装置を設けて、追加の機械的動力を与えることができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、追加の駆動装置には電気機械が含まれる。電気機械は、発電機モードまたはモータモードで選択的に動作することができる兼用電気機械が好ましい。発電機として動作するとき、電気機械はスターリングエンジンからの余剰の機械的動力を電力に変換する。モータモードで動作するとき、電気機械は補助機として動作して機械的動力を追加して往復動圧縮機を駆動することができる。好ましい実施形態では、電気機械は、可変速度電気機械であり、例えば可変周波数駆動装置を介して配電網に接続される。電気機械は始動機として働いてスターリングエンジンを始動させることができる。他の実施形態では、分離した始動機を設けることができる。
【００１３】
特徴および実施形態は本明細書で以下に開示され、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができるように、かつ当分野に対する本発明の寄与をよりよく認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴が存在する。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態は、以下の説明で記載されまたは図面に示される構造の詳細および構成部品の配置に適用されることに限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実行および実施することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであって、限定するものとして見なすべきではないことを理解されたい。
【００１４】
したがって、本開示が基礎を置いている概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを当業者は理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような同等な構造を含むものと見なすことが重要である。
【００１５】
以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考察して参照することによって、本発明の開示される実施形態、およびそれらに付随する利点の多くをよりよく理解するようになったとき、これらを容易により完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】複動式往復動圧縮機の断面図である。
【図１Ｂ】多シリンダ往復動圧縮機の概略上面図である。
【図２】α型スターリングエンジンの概略断面図である。
【図３】本開示によるシステムの実施形態を示す図である。
【図４】本開示によるシステムの実施形態を示す図である。
【図５】本開示によるシステムの実施形態を示す図である。
【図６】本開示によるシステムの実施形態を示す図である。
【図７】本開示によるシステムの実施形態を示す図である。
【図８】本開示によるシステムの実施形態を示す図である。
【図９】精製プラントにおける本開示によるシステムの例示的な用途を示す図である。
【図１０】精製プラントにおける本開示によるシステムの例示的な用途を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
例示的な実施形態を、添付の図面を参照して以下で詳細に説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素と見なす。さらに、図面は必ずしも原寸に比例して描かれたものではない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００１８】
本明細書を通して「１つの実施形態」または「実施形態」または「いくつかの実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「１つの実施形態では」または「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れるが、これらは、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。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。
【００１９】
本明細書で開示する主題によるシステムで使用することができる複動式往復動圧縮機の断面図を図１Ａに示す。
【００２０】
本開示によるシステムは、１つまたは複数の往復動圧縮機を備えることができる。いくつかの実施形態では、複動式往復動圧縮機が使用される。図１Ａを参照すると、１つの実施形態では、複動式往復動圧縮機１は、ピストン７を収める内部円筒空洞５を有するシリンダ３を備える。ピストン７は、両方向矢印ｆ７に従って空洞５内を往復運動する。圧縮機は、ピストンが共通のクランク軸によって駆動される２つ以上のシリンダ−ピストン配置より構成することができる。ピストンはシリンダ３の空洞５を２つのチャンバに分ける。
【００２１】
空洞５はヘッド端およびクランク端を有し、それぞれ閉止要素９および１１によって閉止することができる。閉止要素は、円筒状の胴１３に押さえつけることができる。閉止要素１１には通路を設けることができ、これを貫通してピストン棒１５が延在することができる。パッキンカップ１７はピストン棒１５の周りをシールすることができる。ピストン７は、シリンダ３の内部空洞５をそれぞれ第１のチャンバ１９および第２のチャンバ２１に分割し、これらはそれぞれヘッド端チャンバおよびクランク端チャンバとも呼ばれる。
【００２２】
第１および第２のチャンバ１９および２１は、それぞれ吸入弁および吐出弁を通じて、図示されていない吸気ダクトおよび吐出ダクトに接続される。いくつかの実施形態では、吸入弁および吐出弁は、自動弁、例えば、いわゆるリング弁などとすることができる。第１および第２のチャンバ１９および２１用の吸入弁装置はそれぞれ符号２３および２５が付けられている。第１のチャンバ１９用の吐出弁組立体は２７で示され、第２のチャンバ２１用の吐出弁組立体は２９で示されている。２つのチャンバ１９および２１のうちの１つのチャンバのそれぞれに対する吸入弁と吐出弁の数は、往復動圧縮機の寸法および設計に応じて異なることがある。
【００２３】
ピストン７およびピストン棒１５の往復運動は、連接棒３３を介してクランク軸３１によって制御することができる。連接棒３３は、３５においてクロスヘッド３７に蝶着することができ、クロスヘッド３７には、滑動面４１と滑動接触するクロスヘッド滑動シュー３９を設けることができる。クランク軸３１の回転運動は、両方向矢印ｆ３７に従うクロスヘッド３７の往復直線運動に変換される。ピストン棒１５は、第１の端部１５Ａでクロスヘッド３７に接続し、第２の端部１５Ｂでピストン７に接続することができ、クロスヘッド３７からの動きをピストン７に伝えることができる。
【００２４】
往復動圧縮機１は、１つまたは複数のシリンダより構成することができる。例として、図１Ｂの概略上面図には、４つのシリンダ３を含む往復動圧縮機１の実施形態が示されている。
【００２５】
図３から６を参照してより詳細に説明するように、往復動圧縮機１はスターリングエンジンと組み合わさった圧縮機駆動装置によって駆動することができるが、いくつかの実施形態では、スターリングエンジンのみを使用して往復動圧縮機を駆動することができる。電気モータは始動機として使用することができる。
【００２６】
α型スターリングエンジンの概略断面図を図２に示す。いわゆるα型スターリングエンジン５０は、第１のシリンダ５１を備え、第１のシリンダ５１内を第１のピストン５３が摺動移動可能である。第２のシリンダ５５がさらに、シリンダ５１に対して、例えば９０°の向きで設けられる。第２のピストン５７は、第２のシリンダ５５内を摺動可能に配置される。
【００２７】
第１の連接棒５９は、出力部６３の一部を形成するクランクピン６１に第１のピストン５３を接続する。第２の連接棒６５は、第２のピストン５７を同じ出力部６３に接続する。フライホイール６７を出力軸６３に取り付けることができる。
【００２８】
スターリングエンジン５０は、熱源７１から熱を受け取る加熱器６９を有する高温端を備えることができる。加熱器は第１のシリンダ５１の内部と流体連通している。加熱器６９は、再生器７３、冷却器７５、および第２のシリンダ５５の内部と流路によって接続される。冷却器７５は、冷熱源またはヒートシンクと熱的に接触することができ、スターリングエンジン５０の低温端を形成する。ヒートシンクは周囲の空気とすることができる。いくつかの実施形態では、冷却回路、例えば水冷却回路を有する冷却器をヒートシンクとして使用することができる。図２では、冷却回路は、入口および出口マニホールド７７および７９によって概略的に表されている。
【００２９】
スターリングエンジンの動作は当業者には知られており、本明細書では詳細には説明しない。大まかに言えば、シリンダ−ピストンシステム５１、５３、シリンダ−ピストンシステム５５−５７、加熱器６９、再生器７３、冷却器７５、および関連する配管の内部容積によって形成される閉鎖システム内に含まれる作動ガスは、周期的な圧縮、加熱、膨張、および冷却を含む熱サイクルを受ける。スターリングエンジン５０の作動ガスによって行われる熱力学的サイクルは、熱源７１によってスターリングエンジンの高温端に供給される熱エネルギーの一部を出力軸６３で利用できる有用な機械的動力に変換する。
【００３０】
図２に示すα型スターリングエンジンは、スターリングエンジンのいくつかの可能な構成のうちの単なる１つの構成である。他の有用なスターリングエンジン装置には、β型およびγ型スターリングエンジンによるものがあるが、これらは本明細書では説明しないが、当業者には知られている。
【００３１】
本明細書の下記で説明するように、本明細書で開示するシステムの様々な実施形態は、図２に概略的に示されるα型スターリングエンジン、またはその他の任意の適切なスターリングエンジン構成を利用することができるが、これらは、熱エネルギー源または熱源７１から利用できる熱エネルギーを、往復動圧縮機１を駆動するため、および／または発電するために使用される機械的動力に変換するのに適している。
【００３２】
図３は、本開示による往復動圧縮機システム８１の第１の実施形態を示す。往復動圧縮機システム８１は、例えば、蒸気タービンまたはガスタービンなどのターボ機械、往復動内燃エンジン、熱交換器、加熱器、ボイラ、および他の設備が含まれる１つまたは複数のプロセスが設けられるより広い工業プラントの一部とすることができる。プラントにある１つまたは複数のプロセスでは、副産物として廃熱が生じることがある。本明細書で開示する往復動圧縮機システムのいくつかの実施形態によれば、利用できる廃熱の少なくとも一部分を使用して、スターリングエンジンに動力を与え、往復動圧縮機を駆動する。例えば、廃熱は、１つまたは複数のガスタービンなどの内燃エンジンからの排気燃焼ガス、または蒸気タービン装置の凝縮蒸気から回収することができる。
【００３３】
他の実施形態では、スターリングエンジンに動力を与えるための熱は、太陽熱集熱器によって追加することができる。
【００３４】
回収廃熱の形態であろうと、他の形態であろうと、２つ以上の熱出力源を組み合わせてスターリングエンジンに動力を与えることができる。
【００３５】
往復動圧縮機システム８１は、例えば、４つのシリンダ３およびクランク軸３１より構成される往復動圧縮機１を備えることができる。図３では４つのシリンダが示されているが、本明細書で開示する往復動圧縮機システムの他の実施形態には、１つ、２つ、３つ、または５つ以上のシリンダを設けることができる。
【００３６】
往復動圧縮機１のクランク軸３１は、軸８３を介してスターリングエンジン５０の出力軸６３に接続され、スターリングエンジン５０は、概略的に７１で示す１つまたは複数の熱エネルギーまたは熱源から熱エネルギーを受け取る。クラッチ８５をスターリングエンジン５０と往復動圧縮機１との間に設けて、必要ならば、スターリングエンジン５０を往復動圧縮機１から機械的に切り離すことができる。他の実施形態では、クラッチ８５を省くことができる。さらなる実施形態では、クラッチ８５と組み合わせて、またはクラッチ８５の代わりに、軸８３に弾性継手を設けることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態によれば、スターリングエンジンおよび往復動圧縮機システムの回転軸線に沿って１つまたは複数のフライホイールを設けることができる。図３では、フライホイール８７は、スターリングエンジン出力軸６３と往復動圧縮機１との間に概略的に示されている。
【００３８】
熱エネルギー源７１からの熱Ｈ１はスターリングエンジン５０の高温端に、すなわち加熱器６９に供給される。スターリングエンジン５０は、熱エネルギーの一部を、往復動圧縮機１を駆動するために使用される機械的動力に変換する。機械的動力に変換されない低温の熱エネルギーは、図３において矢印Ｈ２で概略的に示されるスターリングエンジン５０の低温端、すなわち冷却器またはヒートシンク７５で排出される。
【００３９】
上記のように、スターリングエンジン５０の高温端に供給される熱エネルギーＨ１は、往復動圧縮機１が配置された工業設備で利用できる任意の種類の熱エネルギーとすることができる。熱エネルギーＨ１は、例えば、精製プラントまたは高分子製造プラントにおける異なる工業プロセスから発生する廃熱であるのが好ましい。このように、図３のシステム８１は、廃熱を回収して、往復動圧縮機１を駆動するために前記熱を利用することを可能にする。
【００４０】
図４は、往復動圧縮機１を駆動するためにスターリングエンジン５０を利用する往復動圧縮機システム８２のさらなる実施形態を概略的に示す。図４では、図３の実施形態の構成部品、部品、または要素に相当する構成部品、部品、または要素を同じ参照符号で示す。
【００４１】
図４では、スターリングエンジンは一方の側で軸８３を介して往復動圧縮機１と駆動接続され、また、さらに軸８９を有して異なる駆動装置９１と接続される。いくつかの実施形態では、駆動装置９１は、電気モータ、または内燃エンジン、例えば、ディーゼルエンジンまたはオットーエンジンなどの往復動内燃エンジンとすることができる。いくつかの実施形態では、駆動装置９１をスターリングエンジン５０の始動機として使用することができる。
【００４２】
駆動装置９１の回転速度を、スターリングエンジンの回転速度、および往復動圧縮機１のクランク軸の回転速度と実質的に同じにして、その結果、変速装置または他の速度操作装置を必要としないのが好ましい。
【００４３】
１つまたは複数のクラッチを軸８９および／または軸８３に沿って設けて、軸線に沿って機械の一部を他から機械的に切り離すことができる。
【００４４】
他の実施形態では、駆動装置９１は、軸９３を介して往復動圧縮機１に直接接続することができる。この場合、往復動圧縮機１のクランク軸３１は、軸８３を介してスターリングエンジン５０の出力軸６３に駆動接続される第１の端部、および、軸９３を介して駆動装置９１に駆動接続される第２の端部を有する。
【００４５】
図５は、本開示による往復動圧縮機システム８４のさらなる実施形態を概略的に示す。図３および４の実施形態と同じまたは同等な構成部品は、同じ参照符号で示す。システム８４は、往復動圧縮機１より構成される。往復動圧縮機１は、クランク軸３１によって駆動される１つまたは複数のシリンダ３を備えることができる。クランク軸３１は、出力軸６３を有するスターリングエンジン５０に軸８３を介して駆動接続される。クラッチ８５を、クランク軸３１とスターリングエンジン５０の出力軸６３との間に設けることができる。少なくとも１つのフライホイール８７を、スターリングエンジン５０と往復動圧縮機１との間の軸線にさらに取り付けることができる。図５の概略図では、フライホイール８７に対する２つの二者択一的な位置がそれぞれ実線と破線で示されている。
【００４６】
往復動圧縮機１のクランク軸３１はさらに、電気機械９７に、好ましくは、選択的に電気モータとして、または発電機として動作することができる兼用電気機械に駆動接続することができる。いくつかの実施形態では、電気機械９７は、スターリングエンジン５０の出力軸６３に接続されるクランク軸３１の端部とは反対側の端部に接続することができる。参照符号９９は、電気機械９７を往復動圧縮機１のクランク軸３１に接続する軸線を示す。クラッチ１０１を往復動圧縮機１と電気機械９７との間に設けることができる。
【００４７】
いくつかの実施形態によれば、電気機械９７は配電網Ｇに接続され、配電網Ｇは、システム８４の運転状態に応じて、電気機械９７を駆動するために電力を供給する、または電気機械９７によって発生した電力を受け取る。電気機械９７は、例えば、配電網Ｇと電気機械９７との間に挿入された可変周波数駆動装置１０３を介して、可変速度で駆動することができる。
【００４８】
熱エネルギー源７１はスターリングエンジン５０の高温端に熱Ｈ１を供給し、低温熱Ｈ２は、スターリングエンジン５０の低温端で排出される。
【００４９】
システム８４は以下のように動作することができる。
【００５０】
熱エネルギー、例えば廃熱が源７１から利用できる場合、スターリングエンジン５０に動力を与えるようにその熱エネルギーを使用して、熱エネルギーの一部をスターリングエンジン５０の出力軸６３での有用な機械的動力に変換する。クラッチ８５が係合されると、往復動圧縮機１は、スターリングエンジン５０によって与えられる動力によって完全に、または部分的に駆動することができる。スターリングエンジン５０は、電気機械９７の手段によって始動することができる。始動後、スターリングエンジン５０によって発生する機械的動力が往復動圧縮機１を駆動するのに十分な場合、電気機械９７を止めることができる。往復動圧縮機１と電気機械９７との間にクラッチ１０１が設けられている場合、電気機械９７を止めているときには、クラッチを切ることができる。その代わりに、クラッチを係合したままにすることができる、および／またはクラッチを単に省くことができる。このときには、往復動圧縮機１がスターリングエンジン５０だけで駆動されている間、電気機械９７は遊転する。
【００５１】
スターリングエンジン５０によって発生する機械的動力が往復動圧縮機１を駆動するのには不十分な場合、電気機械９７はモータモードで動作して、補助機として働くことができ、したがって、スターリングエンジン５０が与える動力と組み合わさって、往復動圧縮機１を駆動するために十分な追加の機械的動力を与える。もしあれば、クラッチ１０１を係合する。
【００５２】
システム８４の機械、すなわち、スターリングエンジン５０、往復動圧縮機１、および電気機械９７は同じ速度で回転することができる。回転速度は、往復動圧縮機１の運転状態によって決めることができる。電気機械９７の回転速度は、相当に可変周波数駆動装置１０３を介して調節することができる。
【００５３】
スターリングエンジン５０によって発生する動力が、往復動圧縮機１を駆動するのに必要な動力より大きな場合、余剰の機械的動力は軸線９９を介して電気機械９７に伝達することができ、電気機械９７は発電機モードで動作して機械的動力を電力に変換することができる。この電力は、配電網Ｇに投入される。システム８４の回転速度に関係なく、可変周波数駆動装置１０３の手段によって適切な電気周波数が得られる。
【００５４】
スターリングエンジン５０によって動力が与えられない場合、クラッチ８５を切ることができ、往復動圧縮機１をモータモードで動作する電気機械９７のみによって駆動することができる。
【００５５】
図５の配置では、熱エネルギーは、比較的低い温度であっても、有用な機械的動力に変換することができ、配電網Ｇからの電力の消費を低減することができる、または、特定の運転状態では、往復動圧縮機１を駆動するのに加えて、電力を配電網Ｇへ供給するために使用することができる。スターリングエンジン５０を電気機械９７と組み合わせることによって、源７１から利用できる熱エネルギー量とは関係なく、往復動圧縮機１の運転状態に従ってシステム８４を適切に制御することができ、その結果、往復動圧縮機１は、源７１から利用できる熱エネルギーが少ない、または熱エネルギーがない場合でさえ、必要な状態で動作することができる。
【００５６】
図６は、本開示による、往復動圧縮機１を駆動するためのシステム８６のさらなる実施形態を概略的に示す。図３、４、および５と同じ参照符号が、同じまたは相当する部品または要素を示すために用いられる。往復動圧縮機１のクランク軸３１は、スターリングエンジン５０、電気機械９７、および、さらなる駆動装置、例えば往復動内燃エンジン１０５がこれに沿って配置される軸線の一部を形成する。内燃エンジン１０５は、例えば、ディーゼルエンジンまたはオットーエンジンとすることができる。好ましい実施形態では、システム８６の機械は、様々な機械の回転速度が実質的に同じで、変速装置をなしで済ませるように接続される。
【００５７】
いくつかの実施形態では、スターリングエンジン５０は、軸線の一端に配置することができ、往復動内燃エンジン１０５は、軸線の反対側の端に配置することができ、往復動圧縮機１および電気機械９７はその間に配置される。往復動圧縮機１は、往復動内燃エンジン１０５に直接隣接して配置することができ、電気機械９７は往復動圧縮機１とスターリングエンジン５０との間に配置することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、電気機械９７の貫通軸１０７は、スターリングエンジン５０の出力軸６３にその一端で駆動接続される。クラッチ１０９を、電気機械９７の軸１０７とスターリングエンジン５０の出力軸６３との間に設けることができる。さらなるクラッチ１１１を、電気機械９７の軸１０７と往復動圧縮機のクランク軸３１との間に設けることができる。
【００５９】
往復動圧縮機１のクランク軸３１は、電気機械９７の反対側の端部で、往復動内燃エンジン１０５に接続することができる。いくつかの実施形態では、クラッチ１１３を、クランク軸３１と往復動内燃エンジン１０５の軸１１５との間に配置することができる。
【００６０】
１つまたは複数のフライホイールを、軸線に沿った適切な位置に配置することができる。いくつかの実施形態では、往復動機械、すなわち、往復動内燃エンジン１０５、往復動圧縮機１、およびスターリングエンジン５０にはそれぞれ、図示はされていないが、それら自体のフライホイールを設けることができる。他の実施形態では、１つまたは２つのフライホイールだけを軸線に沿った適切な位置に配置することができる。
【００６１】
スターリングエンジン５０の高温端には、内燃エンジン１０５からの廃熱を供給することができる。これは、１１７で概略的に示す伝熱回路によって概略的に表されている。Ｈ１は、往復動内燃エンジン１０５からスターリングエンジン５０の高温端に伝達される廃熱を示す。廃熱は、内燃エンジン１０５から吐出された排出燃焼ガスから回収することができる。往復動内燃エンジン１０５のエンジン冷却システムから、例えば、往復動内燃エンジン１０５内を循環する冷却水から熱を回収することができる。前記エンジン１０５の潤滑システムのオイルからもまた熱を回収することができる。これらのうちの１つだけ、２つ、または３つすべての廃熱源を、スターリングエンジン５０にエネルギーを与えるために利用することができる。このように、往復動内燃エンジン１０５は、スターリングエンジン５０への熱エネルギー源または熱源を提供する。
【００６２】
図６は、例えば、往復動内燃エンジン１０５の冷却システムからの熱を回収するための閉じた伝熱回路１１７を示しており、それは、内燃エンジン１０５を通って循環するのと同じ冷却液体を利用する。他の実施形態では、往復動内燃エンジン１０５内を循環する冷却液体から、例えば熱交換器によって熱を取り出して、その取り出した熱をスターリングエンジン５０の高温端に伝達する、補助伝熱媒体が循環する中間回路を使用することができる。
【００６３】
スターリングエンジン５０の高温端の出口で、閉ループ１１７内を循環する伝熱媒体または冷却液体の温度が、往復動内燃エンジン１０５を十分冷却するにはなお高すぎる場合、補助熱交換器１１９を閉ループ１１７の戻りラインに沿って設けることができる。
【００６４】
図６のシステム８６は以下のように動作することができる。
【００６５】
往復動圧縮機１は、往復動内燃エンジン１０５、または、電気機械９７、またはスターリングエンジン５０によってもっぱら与えられる動力によって回転駆動することができる。いくつかの運転状態では、往復動圧縮機１は、３つの駆動装置１０５、５０、および９７の２つまたはすべてを組み合わせて駆動することができる。
【００６６】
往復動圧縮機１を駆動するために電力のみを使用する場合、例えば、スターリングエンジン５０のために利用できる熱がなく、何らかの理由で往復動内燃エンジン１０５が停止している場合、クラッチ１１３および１０９を切ることができ、電気機械９７は、軸１０７および、もしあればクラッチ１１１を介して往復動圧縮機１を直接駆動することができる。
【００６７】
他の運転状態では、往復動内燃エンジン１０５を運転することができ、それから発生する機械的動力を軸１１５および、もしあればクラッチ１１３を介して使用して、往復動圧縮機１のクランク軸３１を駆動することができる。往復動内燃エンジン１０５からの廃熱は、スターリングエンジン５０を駆動するために利用することができ、スターリングエンジン５０は、往復動圧縮機１を駆動するのに必要な動力の一部を供給する。スターリングエンジン５０によって発生した機械的動力は、（もしあれば）クラッチ１０９および１１１が係合されて、両端がある軸１０７によって電気機械９７を介して伝わる。電気機械９７にはフライホイールが付いている。このように、往復動圧縮機１は、往復動内燃エンジン１０５からの動力とスターリングエンジン５０からの動力とが組み合わさった動力によって駆動される。
【００６８】
内燃エンジン１０５およびスターリングエンジン５０（稼働しているならば）によって供給される動力が、往復動圧縮機１を駆動するのに必要な動力より大きい場合、余剰の機械的動力は、発電機モードで動作する電気機械９７によって電力に変換することができる。可変周波数駆動装置１０３は、電気機械９７によって発生した電力を配電網Ｇに供給する前に、電力を必要な周波数に変換するために使用される。
【００６９】
例えば、別のプロセスからの廃熱が利用できる場合には、外部熱源７１をさらに供給することができる。Ｈ３は、追加の熱源７１によってスターリングエンジン５０の高温端に供給される追加の熱を示す。
【００７０】
いくつかの運転状態では、例えば、熱源７１によって十分な廃熱が供給される場合、内燃エンジン１０５を動作しないままにでき、また、クラッチ１１３を切ることによってクランク軸３１から切り離すこともできる。往復動圧縮機１を駆動するための機械的動力を、スターリングエンジン５０によって、またはこれを電気機械９７と組み合わせることによって、完全に供給することができる。
【００７１】
図７および８は、本開示によるシステムのさらなる実施形態を概略的に示している。前に説明した図と同じ部品または構成部品、あるいはそれらと同等な部品または構成部品は、同じ参照符号で示す。
【００７２】
詳細には、図７は、図５の配置と同様な配置を示しているが、フライホイール８７が往復動圧縮機１と電気機械９７との間の軸線部分に移されている。
【００７３】
図８は、図６と同様な配置を示しているが、内燃エンジン１０５が省かれ、スターリングエンジン５０の高温端への熱Ｈ１は、熱源７１、例えば廃熱回収源によって完全に供給されている。
【００７４】
本明細書で開示する主題の例示的な実施形態は、往復動圧縮機が使用され、廃熱源、例えば熱交換器などが利用できるいくつかの工業プラントにおいて適用することができる。図９および１０は、それぞれ水素化処理装置および改質装置において、本明細書で開示される主題の可能な適用の２つの例を概略的に示している。
【００７５】
より詳細には、図９は水素化処理装置のフロー図を示す。プラントの全体構成はそれ自体知られており、より詳細には説明しない。プラントは、原料油ポンプ２０１、予熱交換器２０３、加熱器２０５、および反応器２０７を備えることができる。予熱交換器２０３において、反応器２０７からの出力フローは、ポンプ２０１から流入する原料と熱交換することによって部分的に冷却される。プラントは、反応器２０７の下流に冷却器２１０をさらに備える。反応器２０７からのプロセスフローは水素分離装置２０９に供給される。ガス状の水素は往復動圧縮機２１１によって圧縮され、予熱交換器２０３の冷温側の方へ循環処理され、一方、フローの液体部分はスタビライザ２１５に供給される。取り入れた水素は、水素追加往復動圧縮機２１３によって送り出され、往復動圧縮機２１１からの水素フロー、および原料油ポンプ２０１からの原料に追加される。往復動圧縮機２１１および２１３の一方または両方を、上記のスターリングエンジンに駆動接続することができる。
【００７６】
伝熱ループ２１７によって概略的に示されるように、熱交換器２１０からの廃熱は、往復動圧縮機２１３を駆動するために設けられたスターリングエンジンにエネルギーを与えるために使用することができる。伝熱ループ２１７に代わって、またはこれに加えて、往復動圧縮機２１１を駆動するスターリングエンジンに廃熱を供給するために伝熱ループを使用することができる。
【００７７】
図１０は、プロセスフローを炉３０２および２つの直列に配置された再熱炉３０３、３０４を介して供給するナフサチャージポンプ３０１より構成される改質装置のフロー図を概略的に示している。反応器３０５、３０６、３０７は各炉３０２、３０３、３０４の下流に配置される。反応器３０７からの炭化水素フローは、冷却器３０９で液化され、それに続いて、高圧分離装置３１１と低圧分離装置３１３でそれぞれ液相と気相に分離される。低圧分離装置３１３からの液体はスタビライザ３１５に送られ、ここから軽ガスが頂部から取り出されて冷却器３１６で冷却され、一方、液体はリフォメートポンプ３１７によって取り出される。
【００７８】
プラントは、分離装置３１１からのガスが供給される水素リサイクル往復動圧縮機３１９をさらに備える。往復動圧縮機３１９から送り出された水素は炉３０２に送られる。
【００７９】
さらなる往復動圧縮機３２１が、低圧分離装置３１３からの水素を受け取り、下流のプロセスに水素を供給する。
【００８０】
往復動圧縮機３１９もしくは往復動圧縮機３２１、または両方は、液化冷却器３０９もしくはスタビライザ３１５の冷却器３１６のいずれか、または両方からの廃熱を少なくとも部分的に回収するために、本明細書の上記で開示したスターリングエンジンに駆動接続することができる。例示的な設備では、第１の熱回収ループ３２５は、液化冷却器３０９から、往復動圧縮機３１９に駆動接続されたスターリングエンジン３１９Ｓに廃熱を伝達する。第２の熱回収ループ３２７は、冷却器３１６から往復動圧縮機３２１に駆動接続されたスターリングエンジン３２１Ｓに廃熱を伝達する。
【００８１】
上記で開示した実施形態では、スターリングエンジン７０の高温端に供給される熱エネルギー、例えば回収される廃熱の元である熱源７１について言及してきた。スターリングエンジンの低温端は周囲温度または室温とすることができ、例えば、周囲空気または水によって冷却することができる。この種の配置は、精製装置など、廃熱源が利用できる状況で特に有用である。他の実施形態では、スターリングエンジンの高温端は室温または周囲温度とし、低温端は、例えば低温流体フローと接触していることができる。またこの種の配置では、高温源と低温源との温度差は、液化天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ）を再びガス状にする再ガス化プラントで利用できるものなど、既存の低温流体フローを利用することによって得ることができる。
【００８２】
本明細書で説明された主題の開示された実施形態は、図面に示され、かつ、いくつかの例示的な実施形態に関連して、具体的にかつ詳細に、上記で完全に説明されてきたが、本明細書で述べられている新規の教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、開示された新規性の適正な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。様々な実施形態の異なる特徴、構造、および手段は、様々に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１  往復動圧縮機
３  シリンダ
５  空洞
７  ピストン
９  閉止要素
１１  閉止要素
１３  円筒状の胴
１５  ピストン棒
１５Ａ  端部
１５Ｂ  端部
１７  パッキンカップ
１９  チャンバ
２１  チャンバ
２３  吸入弁装置
２５  吸入弁装置
２７  吐出弁組立体
２９  吐出弁組立体
３１  クランク軸
３３  連接棒
３５  連接棒のクロスヘッドへの蝶着部
３７  クロスヘッド
３９  クロスヘッド滑動シュー
４１  滑動面
５０  スターリングエンジン
５１  シリンダ
５３  ピストン
５５  シリンダ
５７  ピストン
５９  連接棒
６１  クランクピン
６３  出力軸
６５  連接棒
６７  フライホイール
６９  加熱器
７１  熱源
７３  再生器
７５  冷却器
７７  入口マニホールド
７９  出口マニホールド
８１  往復動圧縮機システム
８２  往復動圧縮機システム
８３  軸、駆動接続部
８４  往復動圧縮機システム
８５  クラッチ
８６  往復動圧縮機システム
８７  フライホイール
８９  軸
９１  駆動装置
９３  軸、駆動接続部
９７  電気機械
９９  軸線、駆動接続部
１０１  クラッチ
１０３  可変周波数駆動装置
１０５  往復動内燃エンジン
１０７  軸、駆動接続部
１０９  クラッチ
１１１  クラッチ
１１３  クラッチ
１１５  軸
１１７  伝熱回路
１１９  補助熱交換器
２０１  原料油ポンプ
２０３  予熱交換器
２０５  加熱器
２０７  反応器
２０９  水素分離装置
２１０  熱交換器
２１１  往復動圧縮機
２１３  往復動圧縮機
２１５  スタビライザ
２１７  伝熱ループ
３０１  ナフサチャージポンプ
３０２  炉
３０３  炉
３０４  炉
３０５  反応器
３０６  反応器
３０７  反応器
３０９  冷却器
３１１  高圧分離装置
３１３  低圧分離装置
３１５  スタビライザ
３１６  冷却器
３１７  リフォメートポンプ
３１９  水素リサイクル往復動圧縮機
３１９Ｓ  スターリングエンジン
３２１  往復動圧縮機
３２１Ｓ  スターリングエンジン
３２５  熱回収ループ
３２７  熱回収ループ
ｆ７  ピストンの往復運動を示す両方向矢印
ｆ３７  クロスヘッドの往復運動を示す両方向矢印
Ｇ  配電網
Ｈ１  高温端に供給される熱エネルギー
Ｈ２  低温熱
Ｈ３  高温端に供給される追加の熱
【図１Ａ】
0006624687.tif 000002
【図１Ｂ】
0006624687.tif 000003
【図２】
0006624687.tif 000004
【図３】
0006624687.tif 000005
【図４】
0006624687.tif 000006
【図５】
0006624687.tif 000007
【図６】
0006624687.tif 000008
【図７】
0006624687.tif 000009
【図８】
0006624687.tif 000010
【図９】
0006624687.tif 000011
【図１０】
0006624687.tif 000012