(57)【要約】  第１のブロワ圧縮バンク（２０）および第２の機械式圧縮バンク（３０）を有し、ガスを初期圧力から出口圧力まで圧縮するためのガス圧縮システム（１０）である。それぞれの圧縮バンクは、ガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４，４２，４６）およびヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）を有する複数段のガス圧縮を有する。ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、高温区域（５６）、中温区域（５８）および低温区域（６０）を有するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）を備え、それぞれの温度区域は、中間冷却器コア（６６）を有する。ブロワ圧縮バンク（２０）のそれぞれの段は、高圧ブロワ（１２，２２，２８，３４）を有し、機械式圧縮機バンク（３０）のそれぞれの段は、機械式圧縮機（４２，４６）を有する。
2021511462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを初期圧力から出口圧力まで圧縮するためのガス圧縮システム（１０）であって、
第１の圧縮バンク（２０）であって、該第１の圧縮バンク（２０）は、ガス状流体圧縮機（１２）および該ガス状流体圧縮機（１２）に流体的に接続されたヒートポンプ中間冷却器（１６）を有するガス圧縮の段を備え、前記ガスを吸気圧力から第１の高められたゲージ圧力にするように動作する前記第１の圧縮バンク（２０）と、
前記第１の圧縮バンク（２０）から前記ガスを受け取るよう流体的に結合された第２の圧縮バンク（３０）であって、該第２の圧縮バンク（３０）は、ガス状流体圧縮機（１２）および該ガス状流体圧縮機（１２）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（１６）を有するガス圧縮の段を備え、前記ガスを前記出口圧力にするように動作する前記第２の圧縮バンク（３０）と、
を備えることを特徴とするガス圧縮システム（１０）。
【請求項２】
前記出口圧力は、前記第１の高められたゲージ圧力よりも大きいことを特徴とする、請求項１記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項３】
前記ヒートポンプ中間冷却器（１６）は、複数の中間冷却器区域を有するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６）を備えることを特徴とする、請求項１記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項４】
前記カスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６）は、高温区域（５６）および低温区域（６０）を有し、前記高温区域（５６）および前記低温区域（６０）のそれぞれは、中間冷却器コア（６６）を有することを特徴とする、請求項３記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項５】
前記カスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６）は、前記高温区域（５６）と前記低温区域（６０）との間に流体的に介装された中温区域（５８）をさらに備えることを特徴とする、請求項４記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項６】
前記第１の圧縮バンク（２０）は、ブロワ圧縮バンク（２０）を備え、前記第１の圧縮バンク（２０）の前記ガス圧縮の段の前記ガス状流体圧縮機（１２）は、高圧ブロワ（２２）を備え、前記第２の圧縮バンク（３０）は、機械式圧縮バンク（３０）を備え、前記機械式圧縮バンク（３０）の前記ガス圧縮の段のガス状流体圧縮機（４２）は、機械式圧縮機（４２）を備えることを特徴する、請求項１記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項７】
前記機械式圧縮バンク（３０）の前記ガス圧縮の段の前記ガス状流体圧縮機（４２）は、回転圧縮機または往復動圧縮機を備える機械式圧縮機（４２）を備えることを特徴とする、請求項６記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項８】
前記機械式圧縮バンク（３０）の前記ガス圧縮の段の前記ガス状流体圧縮機（４２）は往復動圧縮機を備えることを特徴とする、請求項７記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項９】
前記ブロワ圧縮バンク（２０）は、複数段のガス圧縮を備え、それぞれの前記段は高圧ブロワガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４）および該高圧ブロワガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６）を有し、前記機械式圧縮バンク（３０）は、複数段のガス圧縮を備え、該複数段のそれぞれは、機械式ガス状流体圧縮機（４２，４６，５０）および該機械式ガス状流体圧縮機（４２，４６，５０）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（４４，４８）を有することを特徴とする、請求項６記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１０】
前記ブロワ圧縮バンク（２０）は、少なくとも４段のガス圧縮を備え、それぞれの前記段は、高圧ブロワガス状流体圧縮機（１２）および該高圧ブロワガス状流体圧縮機（１２）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（１６）を有することを特徴とする、請求項９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１１】
前記機械式圧縮バンク（３０）は、少なくとも３段のガス圧縮を備え、それぞれの前記段は、機械式ガス状流体圧縮機（４２，４６）および該機械式ガス状流体圧縮機（４２，４６）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（４４，４８）を有することを特徴とする、請求項１０記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１２】
それぞれの前記段のガス圧縮の前記ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、複数の中間冷却器区域を有するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）を有することを特徴とする、請求項９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１３】
前記カスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、高温区域（５６）および低温区域（６０）を有し、前記高温区域（５６）および低温区域（６０）のそれぞれは、中間冷却器コア（６６）を有することを特徴とする、請求項１２記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１４】
前記カスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、前記高温区域（５６）と前記低温区域（６０）との間に流体的に介装された中温区域（５８）をさらに備えることを特徴とする、請求項１３記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１５】
前記ガス圧縮システム（１０）は、該ガス圧縮システム（１０）の流出口（５２）をさらに備え、前記機械式圧縮バンク（３０）は、最終段のガス圧縮をさらに備え、該最終段は、ヒートポンプ中間冷却器が機械式ガス状流体圧縮機（５０）と前記流出口（５２）との間に流体的に介装されることなく、前記機械式ガス状流体圧縮機（５０）を有することを特徴とする、請求項９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１６】
前記ガス圧縮システム（１０）は、該ガス圧縮システム（１０）の流出口（５２）をさらに備え、かつ作動流体の動きから電力を発生させるガス駆動発電機（１００）をさらに備え、前記ガス駆動発電機（１００）は、前記流出口（５２）に流体的に結合されている、請求項１記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１７】
前記ガス駆動発電機（１００）は、１本または複数本の細長い重力分配導管であって、それぞれの前記重力分配導管が上端部および下端部を有する、前記１本または複数本の細長い重力分配導管と、１本または複数本の細長い浮力導管であって、それぞれの前記浮力導管が上端部および下端部を有する、前記１本または複数本の細長い浮力導管と、を有し、
前記浮力導管の１つまたは複数の前記上端部は、前記重力分配導管の１つまたは複数の前記上端部と流体連通し、
前記重力分配導管の１つまたは複数の前記下端部は、前記浮力導管の１つまたは複数の前記下端部と流体連通し、それにより、前記浮力導管と前記重力分配導管との間に、前記浮力導管の前記上端部から流れる前記作動流体が前記重力分配導管の前記上端部に送り込まれるとともに、前記重力分配導管を通って下向きに流れる前記作動流体が該分配導管の前記下端部から複数本の前記浮力導管の前記下端部に送り込まれる閉じた流体ループが形成され、
流体タービンシステムが、１本または複数本の前記重力分配導管の１つまたは複数の前記下端部と、前記浮力導管の１つまたは複数の前記下端部との間に流体的に介装され、
空気注入システムが、前記流出口（５２）からの空気を前記浮力導管のそれぞれに注入するように動作することを特徴とする、請求項１６記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１８】
前記ガス圧縮システム（１０）はそれぞれの前記ヒートポンプ中間冷却器（１６）に流体的に結合された水トラップ（１８）をさらに備え、該水トラップ（１８）は凝縮水を除去するよう動作することを特徴とする、請求項９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項１９】
ガスを初期圧力から出口圧力まで圧縮するためのガス圧縮システム（１０）であって、
複数段のガス圧縮を有する第１の圧縮バンク（２０）であって、それぞれの前記段がガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４，４２，４６）および該ガス状流体圧縮機（１２）に流体的に連結されたヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６）を有する、前記第１の圧縮バンク（２０）を備えることを特徴とするガス圧縮システム（１０）。
【請求項２０】
前記ガス圧縮システム（１０）は、前記第１の圧縮バンク（２０）からの前記ガスを受け取るよう流体的に結合された第２の圧縮バンク（３０）をさらに備え、前記第２の圧縮バンク（３０）は、ガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４，４２，４６）および該ガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４，４２，４６）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）を有する複数段のガス圧縮を備え、前記第２の圧縮バンク（３０）は前記ガスを前記出口圧力にするよう動作することを特徴とする、請求項１９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２１】
前記複数段のうちの少なくとも１つにおける前記ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、複数の中間冷却器区域を有するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）を備えることを特徴とする、請求項１９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２２】
前記複数段のそれぞれの前記ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、複数の中間冷却器区域を有するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）を備えることを特徴とする、請求項２１記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２３】
前記カスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、高温区域（５６）および低温区域（６０）を有し、前記高温区域（５６）および前記低温区域（６０）のそれぞれは、中間冷却器コア（６６）を有することを特徴とする、請求項２２記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２４】
前記カスケード式ヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６，４４，４８）は、前記高温区域（５６）と前記低温区域（６０）との間に流体的に介装された中温区域（５８）をさらに備えることを特徴とする、請求項２３記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２５】
前記第１の圧縮バンク（２０）は、ブロワ圧縮バンクを備え、前記第１の圧縮バンク（２０）のそれぞれの前記段のガス圧縮における前記ガス状流体圧縮機は、高圧ブロワ（１２，２２，２８，３４）を備え、前記第２の圧縮バンクは、機械式圧縮バンク（３０）を備え、前記機械式圧縮バンク（３０）のそれぞれの前記段のガス圧縮における前記ガス状流体圧縮機（４２，４６）は、機械式圧縮機（４２，４６）を備えることを特徴とする、請求項２０記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２６】
前記機械式圧縮機（４２，４６）は回転圧縮機または往復動圧縮機を備えることを特徴とする、請求項２５記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２７】
前記ガス状流体圧縮機（４２，４６）は往復動圧縮機を備えることを特徴とする、請求項２６記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２８】
前記ブロワ圧縮バンク（２０）は、少なくとも４段のガス圧縮を備え、それぞれの前記段は、高圧ブロワガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４）および該高圧ブロワガス状流体圧縮機（１２，２２，２８，３４）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（１６，２４，３０，３６）を有することを特徴とする、請求項２５記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項２９】
前記機械式圧縮バンク（３０）は、少なくとも３段のガス圧縮を備え、それぞれの前記段は、機械式ガス状流体圧縮機（４２，４６）および該機械式ガス状流体圧縮機（４２，４６）に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器（４４，４８）を有することを特徴とする、請求項２８記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項３０】
前記ガス圧縮システム（１０）は、該ガス圧縮システム（１０）の流出口（５２）をさらに備え、かつ最終段のガス圧縮をさらに備え、該最終段は、機械式ガス状流体圧縮機（５０）と前記流出口（５２）との間にヒートポンプ中間冷却器が流体的に介装されることなく、前記機械式ガス状流体圧縮機（５０）を有することを特徴とする、請求項１９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項３１】
前記ガス圧縮システム（１０）は、該ガス圧縮システム（１０）の流出口（５２）をさらに備え、かつ作動流体の動きから電力を発生させるガス駆動発電機（１００）をさらに備え、前記ガス駆動発電機（１００）は、前記流出口（５２）に流体的に結合されている、請求項１９記載のガス圧縮システム（１０）。
【請求項３２】
前記ガス駆動発電機（１００）は、１本または複数本の細長い重力分配導管であって、それぞれの前記重力分配導管が上端部および下端部を有する、前記１本または複数本の細長い重力分配導管と、１本または複数本の細長い浮力導管であって、それぞれの前記浮力導管が上端部および下端部を有する、前記１本または複数本の細長い浮力導管と、を有し、
前記浮力導管の１つまたは複数の前記上端部は、前記重力分配導管の１つまたは複数の前記上端部と流体連通し、
前記重力分配導管の１つまたは複数の前記下端部は、前記浮力導管の１つまたは複数の前記下端部と流体連通し、それにより、前記浮力導管と前記重力分配導管との間に、前記浮力導管の前記上端部から流れる前記作動流体が前記重力分配導管の前記上端部に送り込まれるとともに、前記重力分配導管を通って下向きに流れる前記作動流体が該分配導管の前記下端部から複数本の前記浮力導管の前記下端部に送り込まれる閉じた流体ループが形成され、
流体タービンシステムが、１本または複数本の前記重力分配導管の１つまたは複数の前記下端部と、前記浮力導管の１つまたは複数の前記下端部との間に流体的に介装され、
空気注入システムが、前記流出口（５２）からの空気を前記浮力導管のそれぞれに注入するように動作することを特徴とする、請求項３１記載のガス圧縮システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、参照により本明細書に組み入れられる、２０１８年１月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／６１８,７２０号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、ガスを圧縮するためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本明細書に開示されるのは、機械式圧縮機の動作による圧縮が、冷媒ヒートポンプ動作による熱除去および背圧低減と交互に行われる、空気および他のガス状流体のための圧縮システムおよび方法である。
【０００３】
発明の背景
何十年にもわたって、ガス状流体圧縮の効率向上を実現する必要性がよく認識されてきた。ガス状流体を圧縮するためのシステムおよび方法を提供するにあたり、熱力学的性能の改善および構造における簡潔さの改善を達成する多くの試みがあった。知識のある科学者および熟練した発明者は、熱力学の原理を利用して、効率が改善されそれによりエネルギの節約および技術の全体的な進歩が可能な、空気などのガスの圧縮を提供するよう努めてきた。
【０００４】
例えば、１９３８年に、Ｈ．Ｆ．パーカは、空気圧縮機システムに関する米国特許第２,２８０,８４５号になった出願を行った。その出願においてパーカは、それまで実施可能であったものよりも理想的な等温サイクルに近づけることで、所定の出力に必要な消費電力を削減することを目指した。パーカは、非圧縮性で熱を吸収しかつ熱を運ぶ媒体、つまり霧状の水を圧縮ガスと混合することで圧縮ガスの温度を下げ、それにより理想的な等温サイクルに近づけることを提案した。パーカは、圧縮後に、熱を運ぶ水を、圧縮ガスからの圧縮に由来する熱の大部分とともに、分離し除去することを教示した。
【０００５】
より最近では、インガーソルらは、米国特許第８,５７２,９５９号明細書で、圧縮および／または膨張装置もしくはシステム内の熱除去を管理するためのシステム、方法ならびに装置について説明している。インガーソルらのシステムでは、液体を圧力容器に移動して、該圧力容器内のガスを圧縮する。圧縮および／または膨張プロセス中に、空気を圧縮するために使用される液体に熱が伝達され、液体パージシステムが、熱エネルギが伝達された液体の少なくとも一部を除去する。この液体は冷却され、システム内で再利用され得る。
【０００６】
ガス状流体の圧縮のためのこれらおよびその他のシステムおよび方法は、熱力学の原理をモデル化する。ヒートポンプおよび冷凍システムは、ヒートポンプおよび冷凍の熱力学的サイクルに依存する。ヒートポンプでは、熱は、機械的な仕事または熱源を使用して、その源位置から別の位置であるヒートシンクに移動させられる。ヒータでは、そのヒートシンクが温められる。冷凍では、その熱源を冷却することが目的である。
【０００７】
サディカルノーは、１８２４年に冷凍サイクルの原理を数学的に明らかにした。ヒートポンプまたはヒートエンジンは、冷凍サイクルの逆で動作する。ヒートポンプおよび冷凍サイクルは、通常、蒸気吸収、蒸気圧縮、ガスサイクル、またはスターリングサイクルに分類される。
【０００８】
理想的な蒸気圧縮サイクルでは、冷媒作動流体が蒸気の形で圧縮機に入り、過熱された状態で圧縮機を出る前に一定のエントロピーで圧縮される。凝縮器はこの過熱蒸気を受け取り、一定の圧力および温度で追加の熱を除去することにより、蒸気を冷却するとともに該蒸気を凝縮して液体にする。次に、この液体冷媒は、膨張弁を通過するときに圧力が低下して冷凍を生じさせ、その結果、より低い温度および圧力で液体と蒸気との混合物が生じる。この混合物は、冷凍される空間からの温かい空気がファンによって蒸発器のコイルまたはチューブを横切って吹き付けられるときに該温かい空気が冷却されることによって、蒸発器のコイルまたはチューブ内を通って蒸発する。結果として生じる冷媒蒸気が圧縮機の流入口に戻ると、熱力学的サイクルが完了する。蒸気吸収サイクルは、蒸気圧縮サイクルに似ている。ただし、圧縮機は、冷媒を適切な液体に溶解する吸収器に置き換えられる。液体ポンプが圧力を上げ、発生器が高圧液体から冷媒蒸気を駆動する。理想的なスターリングサイクル熱機関では、機械的な仕事が熱伝達を逆方向に駆動する。逆カルノーサイクルでは、２つの等温ステップおよび２つの等エントロピーステップによって形成される４つの可逆プロセスが逆に実行される。最後に、ガスサイクルでは、ガス状作動流体は圧縮され、また膨張させられるが、相は変化しない。
【０００９】
成績係数（ＣＯＰ）は、冷凍機またはヒートポンプの効率の指標である。成績係数は、有効な冷却出力または加熱出力の、入力電力に対する比率の瞬間的な測定値である。冷凍システムでは、成績係数は、圧縮機への入力電力に関連して除去される熱の比率として定義することができる。加熱における成績係数は、圧縮機への入力電力に対する運ばれた熱の比率として定義することができる。したがって、より高い成績係数は、より効率的なシステムを意味する。
【００１０】
熱と他の形態のエネルギとの関係に依存する他のシステムと同様に、いかなるガス圧縮システムの成績係数も、本質的に熱力学の法則によって制約される。ガス圧縮の技術を進歩させようとするすべての発明者は、効率の損失を最小限に抑えながら、関連する構成要素およびプロセスの効率を最大化して、最適な成績係数を達成しようと努めてきた。
【００１１】
したがって、ガスの圧縮に関する前述のおよび他の多くの有用な改善にもかかわらず、その要求は、ガス状流体の圧縮のためのシステムおよび方法における改善された効率のために継続する。これに関して、冷凍はガスの圧縮を促進するための効率的な方法であると認識されている。しかしながら、冷凍は、それが高効率で作用する温度範囲が比較的狭いことがさらに認識されている。その温度範囲における低点を超える追加の冷却は、大幅に低下した効率でのみ実行され得る。
【００１２】
したがって、本発明者は、流体圧縮中の性能の損失を最小限に抑え、かつ冷凍の効率を利用するガス状流体圧縮のためのシステムおよび方法を提供することが非常に有利であると理解する。
【００１３】
発明の開示の要約
したがって、本発明は、改善された効率でガスを圧縮するためのシステムおよび方法を提供するという基本的な目的に基づいている。
【００１４】
本発明の関連する目的は、低減された電力消費で動作する、ガスを圧縮するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、高い成績係数（ＣＯＰ）で熱を除去しながらガスを圧縮するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１６】
本発明の実施形態のさらなる目的は、拡張可能なガス状流体圧縮のためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１７】
本発明のこれらのおよびさらなる目的および利点は、本明細書および図面を検討する者だけでなく、本明細書に開示されるガス状流体圧縮システムおよび方法の動作を目撃する機会を有する者にも明らかになるであろう。本発明の単一の実施形態において前述の目的のそれぞれの達成は可能であり、実際に好ましいかもしれないが、すべての実施形態がありとあらゆる潜在的な利点および機能を達成することを求めるまたは必要とするわけではない。それにもかかわらず、そのような実施形態はすべて、本発明の範囲内であると考えられるべきである。
【００１８】
本発明の１つ以上の目的を実行する際に、ガスを初期圧力から出口圧力まで圧縮するための本発明によるガス状流体圧縮システムは、第１の圧縮バンクおよび第２の圧縮バンクを有する。第１の圧縮バンクは、ガス状流体圧縮機および該ガス状流体圧縮機に流体的に接続されたヒートポンプ中間冷却器を有するガス圧縮の段を備える。第１の圧縮バンクは、ガスを吸気圧力から第１の高められたゲージ圧力にするように動作する。第２の圧縮バンクは、ガス状流体圧縮機および該ガス状流体圧縮機に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器を有するガス圧縮の段を備える。第２の圧縮バンクは、ガスを出口圧力にするように動作する。出口圧力は第１の高められたゲージ圧力よりも高い。
【００１９】
ガス圧縮システムの実施において、ヒートポンプ中間冷却器は、複数の中間冷却器区域を有するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器を備える。例えば、カスケード式ヒートポンプ中間冷却器は、高温区域および低温区域を有することができ、高温区域および低温区域のそれぞれは、中間冷却器コアを有する。カスケード式ヒートポンプ中間冷却器は、高温区域と低温区域との間に流体的に介装された(interposed)中温区域および場合によってはさらなる温度区域をさらに備えることができる。さらに、水トラップを各ヒートポンプ中間冷却器に流体的に結合して、凝縮水を除去するように動作させることができる。
【００２０】
本明細書で教示されるように、第１の圧縮バンクは、ブロワ圧縮バンクを備えることができる。第１の圧縮バンクのガス圧縮の段のガス状流体圧縮機は、高圧ブロワを備えることができ、第２の圧縮バンクは、機械式圧縮バンクを備えることができる。機械式圧縮バンクのガス圧縮の段のガス状流体圧縮機は、回転圧縮機や往復動圧縮機などの機械式圧縮機であり得る。
【００２１】
ブロワ圧縮バンクが、それぞれの段が高圧ブロワガス状流体圧縮機および該高圧ブロワガス状流体圧縮機に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器を有する複数段のガス圧縮によって形成され得ることがさらに開示される。同様に、機械式圧縮バンクは、複数段のガス圧縮を有することができ、複数段のそれぞれは、機械式ガス状流体圧縮機および該機械式ガス状流体圧縮機に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器を有する。例えば、ブロワ圧縮バンクは、少なくとも４段のガス圧縮を有することができ、それぞれの段は、高圧ブロワガス状流体圧縮機および該高圧ブロワガス状流体圧縮機に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器を有する。機械式圧縮バンクは、少なくとも３段のガス圧縮を有することができ、それぞれの段は、機械式ガス状流体圧縮機および該機械式ガス状流体圧縮機に流体的に結合されたヒートポンプ中間冷却器を有する。
【００２２】
ガス圧縮システムは、流出口をさらに含むことができる。最終段のガス圧縮は、ヒートポンプ中間冷却器が機械式ガス状流体圧縮機と流出口との間に流体的に介装されることなく、機械式ガス状流体圧縮機を有することができる。
【００２３】
ガス駆動発電機を流出口に流体的に結合して、ガス圧縮システムから受け取った圧縮ガスを注入することによる作動流体の動きから電力を発生させることができることがさらに開示される。例えば、ガス駆動発電機は、１本または複数本の細長い重力分配導管(gravitational distribution conduit)を有することができ、それぞれの重力分配導管は上端部および下端部を有する。発電機は、１本または複数本の細長い浮力導管(buoyancy conduit)を有することができ、それぞれの浮力導管は上端部および下端部を有する。浮力導管の１つまたは複数の上端部は、重力分配導管の１つまたは複数の上端部と流体連通しており、重力分配導管の１つまたは複数の下端部は、浮力導管の１つまたは複数の下端部と流体連通している。それにより、浮力導管と重力分配導管との間に、浮力導管の上端部から流れる作動流体が重力分配導管の上端部に送り込まれるとともに、重力分配導管を通って下向きに流れる作動流体が該分配導管の下端部から複数本の浮力導管の下端部に送り込まれる閉じた流体ループが形成される。流体タービンシステムは、１本または複数本の重力分配導管の１つまたは複数の下端部と、浮力導管の１つまたは複数の下端部との間に流体的に介装される。ガス注入システムは、ガス圧縮システムによって圧縮された、流出口からの空気などのガスを浮力導管のそれぞれに注入するよう動作する。
【００２４】
前述の説明が、本発明の特定のより重要な目標および特徴を大まかに概説し、以下の詳細な説明のより良い理解を可能にし、かつ技術への発明者の貢献をより良く理解させることが認められるであろう。特定の実施形態またはその態様を詳細に説明する前に、以下の構造の詳細および発明概念の説明は、本発明の多くの可能な出現の単なる例であることを明確にしなければならない。したがって、本発明の追加の特徴および利点は、制限的ではない実装および実施形態の詳細な説明を読み、添付の図面を参照することによって明らかになることは明確であろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本明細書に開示されているガス状流体圧縮システムおよび方法の追加の詳細および特徴は、本明細書および図面を検討した後、当業者には明らかであろう。
【図１】本発明によるガス圧縮システムの斜視図である。
【図２】ガス圧縮システムのブロワ圧縮バンクの斜視図である。
【図３Ａ】ブロワ圧縮バンクの一段における高圧ブロワおよびカスケード式ヒートポンプ中間冷却器の斜視図である。
【図３Ｂ】ブロワ圧縮バンクの一段における高圧ブロワおよびカスケード式ヒートポンプ中間冷却器の側面図である。
【図３Ｃ】ブロワ圧縮バンクの一段における高圧ブロワおよびカスケード式ヒートポンプ中間冷却器の正面図である。
【図４Ａ】システムの一段における中間冷却器の斜視図である。
【図４Ｂ】中間冷却器の側面図である。
【図４Ｃ】中間冷却器の断面図である。
【図５】ガス圧縮システムの機械式圧縮バンクの斜視図である。
【図６Ａ】カスケード式ヒートポンプ中間冷却器の斜視図である。
【図６Ｂ】カスケード式ヒートポンプ中間冷却器の上面図である。
【図７】本発明によるガス圧縮システムを利用する空気駆動発電機の斜視図である。
【図８】本発明によるガス圧縮システムにおいて追加の効率を可能にするためのサブシステムの斜視図である。
【００２６】
好ましい実施形態の詳細な説明
本明細書に開示されるガス状流体圧縮システムおよび方法は、様々な実施形態の対象となる。しかし、当業者が本発明を理解し、適切な場合に実施できることを確実にするために、本明細書で明らかにされるより広い発明の特定の好ましい実施形態を以下に説明し、添付の図面に示す。したがって、本発明の特定の実施形態を詳細に説明する前に、以下の構成の詳細および発明概念の説明は、本発明の多くの可能な出現の単なる例であることを明確にしなければならない。
【００２７】
より具体的に図１を見ると、ガス圧縮システム１０は、システム１０内のガスのゲージ圧力を第１の圧縮レベルに上げるための第１の圧縮バンク２０と、ガス圧縮システム１０内のガスのゲージ圧力を、第１の圧縮レベルを超えて最終出口圧力まで上げるための第２の圧縮バンク３０とを有する。本発明によれば、第１の圧縮バンク２０はブロワ圧縮バンク２０を備えることができ、第２の圧縮バンク３０は機械式圧縮バンク３０を備えることができる。ブロワ圧縮バンク２０は図２に別個に示され、機械式圧縮バンク３０は図５に別個に示されている。本明細書では、ガスは時々空気と呼ばれることがあり、他のガスの圧縮が本発明の範囲内で可能であることが理解される。
【００２８】
ガス圧縮システム１０の一実施によれば、ブロワ圧縮バンク２０は、システムに引き込まれるかまたはシステムに流入させられる空気などのガスを、周囲圧力などの第１の圧力から２０ｐｓｉ〜２４ｐｓｉのような高められたゲージ圧力にするように計算することができる。機械式圧縮バンク３０は、該高められたゲージ圧力を超える圧縮を達成して出口圧力に到達させるために採用することができる。
【００２９】
この例示的であるが限定的ではない例では、空気は、ゲージ圧０ｐｓｉでかつ周囲温度で、ガス圧縮システム１０の第１の圧縮バンク２０に引き込まれる。ブロワ圧縮バンク２０内のシステム１０の第１の段では、高圧ブロワ１２が空気取入口１４を介して空気を取り込み、その空気を、圧縮システム１０の構成および他の要因に依存し得る第１の高められた圧力まで圧縮する。この流体圧縮により断熱熱が放出され、この圧縮された空気の温度が上昇する。このプロセスを完了するために必要なエネルギの総量は、空気の加圧力と断熱熱と空気中の水蒸気の強制凝縮の潜熱との和に相当する。
【００３０】
カスケード式ヒートポンプ中間冷却器１６は、ガス圧縮システム１０のブロワ圧縮バンク２０の第１の段内で高圧ブロワ１２の二次側に配置されて高圧ブロワ１２からの加圧空気を受け取る。ヒートポンプ中間冷却器１６は、圧縮の断熱熱および潜熱を除去するとともに加圧空気の温度を下げ、それにより、空気をさらに圧縮するために必要なエネルギを低下させる。その低下した温度は、第１の段を出る圧力をより低下させる。システム１０の実施形態では、例えば、この温度は、元の周囲温度未満に低下するように計算される。
【００３１】
ブロワ圧縮バンク２０は、ブロワ圧縮バンク２０の第１の段で圧縮されかつ冷却された空気を受け取る高圧ブロワ２２を有する、ガス圧縮システム１０の第２の段を有する。中間冷却器１６の結果として、ブロワ２２は放出された断熱熱に打ち勝つ必要がないため、また受け取った圧縮ガスの温度は元の周囲温度よりも低いため、第２の段の高圧ブロワ２２は、圧縮を実行するために必要なエネルギが少なくて済む。カスケード式ヒートポンプ中間冷却器２４は、ガス圧縮システム１０のブロワ圧縮バンク２０の第２の段内で高圧ブロワ２２の二次側に配置されて高圧ブロワ２２からの加圧空気を受け取る。ガス圧縮システム１０の第１の段の中間冷却器１６によって提供される冷却によって、第２の段のヒートポンプ中間冷却器２４によって断熱熱を除去するために必要なエネルギは、ブロワ１２および２２による空気の機械式圧縮のみによる場合よりもはるかに少ない。
【００３２】
単一のヒートポンプは非常に狭い温度範囲のみで高効率となるため、ガス圧縮システム１０の実施ではカスケード式ヒートポンプ中間冷却器１６，２４を採用して、狭い動作範囲にわたる動作を可能にし、ヒートポンプ中間冷却器１６，２４の動作効率を向上させる。カスケード式ヒートポンプに関する背景は、例えば、カスケード式空気源ヒートポンプに関するルイスの米国特許出願公開第２０１０／００７７７８８号明細書、カスケードサイクルを有する熱機関に関するヘルドの米国特許第８,８６９,５３１号明細書、カスケード式閉ループサイクル発電に関するストリンガらの米国特許出願公開第２００４／００１１０３８号が参照されてよい。前述の各文献および該各文献で引用されている各参考文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３３】
本発明によれば、また第１の段の中間冷却器１６が示されている図３Ａ〜３Ｃを参照すると、採用される各カスケード式ヒートポンプ中間冷却器は、高温区域５６、中温区域５８、および低温区域６０を有すると考えることができる。中間冷却器１６の区域５６，５８および６０は、１つの中間冷却器構造内にあり得る。代替的には、各区域自体を、別個の中間冷却器として考えられかつ動作するものから形成することができる。本明細書で使用する場合、中間冷却器および中間冷却器の区域への言及は、本発明が特許請求の範囲によって明示的に限定され得る場合を除いて、一体の中間冷却器構造および別個の中間冷却器構造を含むと理解されるべきである。中間冷却器１６，２４，３０および３６ならびに中間冷却器区域５６，５８および６０は、予想されるヒートポンプの動作温度範囲に合わせて設計することができ、また追加的または代替的には該動作温度範囲に合わせて調整することができる。
【００３４】
中間冷却器１６，２４，３０および３６の潜在的な出現のさらなる理解は、第１の段のカスケード式ヒートポンプ中間冷却器１６の高温区域５６が示されている図４Ａ〜４Ｃを参照して理解され得る。そこでは、独立して動作可能な中間冷却器熱交換器を形成する中間冷却器区域５６は、ガス状流体流入口６８およびガス状流体流出口７０を有する中間冷却器コア６６を有する。中間冷却器コア６６は、ハウジング７２内に保持される。この構造の下では、圧縮流体を高圧ブロワ１２から受け取り、中間冷却してから、中温中間冷却器区域５８などへ進め、次に低温中間冷却器区域６０へ進め、そしてガス圧縮システムの第２の段へと進めることができる。残りの中間冷却器は、同様に動作可能であるか、または潜在的には異なる構造で動作可能であり得る。
【００３５】
カスケード式ヒートポンプ中間冷却器１６，２４，３０および３６は、他の点では高デルタ温度で熱を凝縮する必要があるために生じるような効率の損失を回避する。以下で採用されるカスケード式ヒートポンプ中間冷却器１６，２４，３０および３６では、より低温のヒートポンプは、それぞれの凝縮温度の基礎として、次のより高温の冷却槽ユニットを使用する。このようにして、中間冷却器１６，２４，３０および３６内のヒートポンプは個別に協働して、個々の熱伝達要件を最小限に抑えかつ個別に大きな効率損失を示すことなく、非常に大量の熱を移動させる。
【００３６】
図８の概略図をさらに参照すると、さらに管理、採取、および利用するためのサブシステムを備えることができ、該概略図は、本発明の特定の実施において達成することができる高効率に関するさらなる理解を提供する。そこでは、より高温のヒートポンプのチリング槽のようなヒートポンプのチリング槽を使用することで温度変化および温度デルタが拡大および制限される。以下で使用するように、ヒートポンプは潜熱や摩擦熱を含む熱を収集し、それを別の用途または後続の用途に伝達させることができる。この熱は、低位熱を使用してエネルギ入力を必要とする別のタスクを実行できる後続の動作または並列した動作で使用することができる。それにより、伝達されたエネルギは、空気を圧縮するために１回使用され、さらに２回目で次の動作を加熱するために使用されるなど、複数回効果的に使用される。さらなる動作は、例えば、暖房、給湯、有機ランキンサイクル発電、またはいくつかの他の動作もしくはそれらの組み合わせであり得る。
【００３７】
図８に示されるように、エネルギを採取、管理および利用するサブシステムは、ガス圧縮システム１０の交互の冷凍段と圧縮段との間に配置することができる。例えば、非限定的な例としてシステム１０の第１の段を使用すると、低温チラー槽８２は、中間冷却器１６の低温区域６０にわたって槽流体が搬送されるそれぞれの中間冷却器１６の低温区域６０と熱力学的に相互作用することができる。チラー槽８２は、凝縮水がチラー槽８２のコイル上で凍結することを回避するために、３３°Ｆなどの水の氷点を超える槽温度を有することができる。低温ヒートポンプ８４は、チラー槽８２に流体的に結合されている。ヒートポンプ８４は、通常、空気の周囲温度で１００°Ｆに達する可能性のある冷媒を凝縮する必要があるかもしれないが、空気の熱伝達能力は低いため、熱の効率的な伝達を完了するには、より高いデルタ凝縮器温度が必要である。このような高いデルタ温度は、ヒートポンプのＣＯＰを大幅に低下させる。高いデルタの周囲空冷凝縮器の欠点を回避するために、低温ヒートポンプ８４は、中温チラー槽８６からの凝縮媒体を使用する。これにより、デルタ温度が約３０°Ｆに保たれる。追加的に、ここでは低温ヒートポンプ８４が液体媒体中で熱を交換しており、これは、効率を上げるためにより低いデルタ温度を必要とする。これは、低温ヒートポンプ８４のＣＯＰを非常に高く保つ。
【００３８】
中温チラー槽８６は、例えば約６０°Ｆの槽温度を有する低温チラー槽８２に流体的に結合される。中温ヒートポンプ８８は、チラー槽８６に流体的に結合されている。中温チラー槽８６は、中間冷却器１６の中温区域５８にわたって槽流体が搬送されることによって、それぞれの中間冷却器１６の中温区域５８と熱力学的に相互作用することができる。ヒートポンプ８８は通常、やはりこの場合も、１００°Ｆに達する可能性がある空気中の周囲温度で冷媒を凝縮する必要があり、また、熱を伝達する空気の能力が低いため、熱の効率的な伝達を完了させるのにより高いデルタ凝縮器温度が必要であることがやはりこの場合も認識される。このようなより高いデルタ温度は、ヒートポンプのＣＯＰを大幅に低下させる。高いデルタの周囲空冷凝縮器の欠点を回避するために、中温ヒートポンプ８８は高温チラー槽９０を使用し、該高温チラー槽９０は、中間冷却器１６の高温区域５６にわたってその凝縮媒体としての槽流体が搬送されるそれぞれの中間冷却器１６の高温区域５６と熱力学的に係合する。これにより、デルタ温度が約６０°Ｆに保たれる。追加的に、中温ヒートポンプ８８は、液体媒体中で熱を交換しているため、効率を上げるためにより低いデルタ温度を必要とする。これは、中温ヒートポンプ８８のＣＯＰを非常に高く保つ。この区域の後、温度は例えば１２０°Ｆまで上昇する。
【００３９】
高温チラー槽９０は、中温ヒートポンプ８８に流体的に結合され、中間冷却器１６の高温区域５６に対応する約１２０°Ｆの槽温度を有する。高温チラー槽９０に流体的に結合されている高温ヒートポンプ９２は通常、やはりこの場合も、１００°Ｆに達する可能性もある空気中の周囲温度で冷媒を凝縮しなければならない。この凝縮器における周囲温度は高いＣＯＰにつながるが、空気交換が不十分な場合は、より高いデルタ温度が必要になるとともに、より多くのエネルギが必要になる。デルタ温度が高くなるに連れて、ヒートポンプ９２のＣＯＰはわずかに低下する。高いデルタの周囲空冷凝縮器の欠点を回避するために、高温ヒートポンプ９２は、媒体を凝縮するときに高温ブーストチラー槽９４を使用する。これにより、デルタ温度が約８０°Ｆに保たれる。追加的に、流体はここでは、他の加熱動作に使用できる使用可能な低位熱になっている。これは、高温ヒートポンプ９２のＣＯＰを非常に高く保つ。この区域の後、温度は例えば２００°Ｆまでさらに上昇する。
【００４０】
それぞれにヒートポンプ９６およびチラー槽９８を有する１つまたは複数の追加のブーストヒートポンプサイクルを追加して、温度を高め、低位熱の質をさらに向上させることができ、それにより低位熱をさまざまな用途で使用することができる。各ブースターサイクルでは、例えば追加的な８０°Ｆ〜１００°Ｆだけさらに温度を上昇させることができる。このような方法では、１つの追加のブーストサイクルで温度を例えば２９０°Ｆに上昇させることができ、第２の追加のブーストサイクルで温度を例えば３８０°Ｆにさらに上昇させることができる。このようなより高温のブーストサイクルでは、ガス駆動発電機、家庭用給湯装置、暖房要所などの実際のエンドユーザータスクに凝縮コイルを配置することができる。
【００４１】
いずれにしても図１および２に戻って参照すると、例えば、本ガス圧縮システム１０において圧縮ステップと中間冷却ステップとが繰り返され、中間冷却によって熱を採取するステップを間に介在させてガスを順次圧縮する。ガス圧縮システム１０の図示の実施において、圧縮と中間冷却とは、ブロワ圧縮バンク２０内で複数、特に４つの一連の段で繰り返されて、システムに引き込まれまたは流入させられたガスを高められた第１のバンク出口ゲージ圧力にする。なお、ブロワ圧縮バンク２０には、いくつかの段のそれぞれにおいてブロワ圧縮による圧縮と介在するカスケード式ヒートポンプ中間冷却器による中間冷却とを有する追加のまたはより少ない段を設けることができる。
【００４２】
この実施形態におけるブロワ圧縮バンク２０は、ブロワ圧縮バンク２０の第２の段で圧縮されかつ冷却された空気を受け取る高圧ブロワ２８を有する第３の段を採用する。第３の段の高圧ブロワ２８は、第２の段から受け取った空気をさらに圧縮し、やはりこの場合も、ブロワ２８は、カスケード式ヒートポンプ中間冷却器２４の動作により断熱熱が低下した空気を受け取るので、圧縮を実行するために必要なエネルギは少なくて済む。カスケード式ヒートポンプ中間冷却器３０は、ブロワ圧縮バンク２０の第３の段内に配置され、高圧ブロワ２８からの加圧空気を受け取る。
【００４３】
従来技術は、高圧ブロワ圧縮システムを開示している。関連する教示は、例えば、圧縮機システムについては米国特許第２,８４９,１７３号明細書、高圧空気圧縮機については米国特許第３,０１４,６３９号明細書、ガス状媒体を圧縮するためのプロセスについては米国特許第５,４６１,８６１号明細書、多段式ガス圧縮機システムについては米国特許第６,６９５,５９１号明細書、圧縮機装置については米国特許出願公開第２００９／０２５７９０２号明細書に含まれ得る。これらはすべて、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４４】
本明細書に記載の高圧ブロワ１２，２２，２８および３４は、非限定的な例として、高圧遠心ブロワを備えることができる。第１の段の高圧ブロワ１２は、例えば、４，５００から２０，０００ＣＦＭの範囲で動作でき、第２の段の高圧ブロワ２２は、例えば、やはりこの場合も４，５００から２０，０００ＣＦＭの範囲で動作できる。これらの風量は大気条件で表される。しかしながら、第１のブロワ１２に続くブロワ２２，２８および３４は、圧力の増加および準周囲温度の冷却によりおおよそ２５％だけ少ない体積などの低減された流量で動作し得ると考えられる。理論的には、空気が加圧されている間、通過しなければならない空気の実際の物理的体積は小さいので、より小さなブロワ２２，２８および３４を後の段で採用することができる。１つの効果的な高圧ブロワのタイプは、例えば、米国イリノイ州ウィローブルックの「ｔｈｅ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ  Ｂｌｏｗｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ」からラジアル高圧ホイール設計の「Ｔｙｐｅ  ＨＰ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｂｌｏｗｅｒｓ」として入手可能である。
【００４５】
ブロワ圧縮バンク２０の第４の段では、高圧ブロワ３４が、第３の段で圧縮されかつ冷却された空気を受け取る。第４の段の高圧ブロワ３４は、第３の段から受け取った空気をさらに圧縮するが、カスケード式ヒートポンプ中間冷却器２４の動作により断熱熱が低下した空気をブロワ３４が受け取るため、この圧縮に必要なエネルギは少なくて済む。カスケード式ヒートポンプ中間冷却器３６は、ブロワ圧縮バンク２０の第４の段内に配置され、高圧ブロワ３４からの加圧空気を受け取る。
【００４６】
本発明者は、ブロワ圧縮による圧縮を含む１つまたは複数の段の後、圧縮空気の高められた圧力が、非実用的で効果的でなくなる高圧ブロワによる圧縮を超えて到達することを認識した。本システム１０によれば、１つまたは複数の往復動圧縮機の使用などによる機械式圧縮によって、さらなる圧縮を達成することができる。カスケード式ヒートポンプ中間冷却器による中間冷却は、やはりこの場合も、各圧縮ステップに続いて採用することができる。したがって、ブロワ圧縮バンク２０の高圧ブロワ１２，２２，２８および３４は、中間冷却器４４および４８が介在する機械式圧縮機バンク３０の往復機械式圧縮機４２，４６および５０の段に引き継がれる。ブロワ圧縮バンク２０によって達成される第１のレベルの圧縮を超えて、往復動圧縮機４２，４６および５０は、ブロワよりも高くかつより効率的にガス圧力を上昇させる。機械式、この場合往復動圧縮機は、１５０〜３００ＣＦＭの範囲で動作できる。ガスは今度は元の空気体積よりもはるかに小さい体積まで圧縮されるので、より少ない圧縮機４２，４６および５０を採用して、所望の最終高圧に到達させることができる。
【００４７】
圧縮されかつ中間冷却された空気は、機械式圧縮機バンク３０内で、ブロワ圧縮機バンク２０の最終中間冷却器３６から流体コネクタ４０を介してブロワ圧縮機バンク出口圧力で受け取られて、ガス圧縮システム１０の第５の段を形成する第１の機械式圧縮機群４２に入る。第１の機械式圧縮機群４２は、単一の機械式圧縮機または複数の機械式圧縮機を含むことができる。圧縮機群４２，４６および５０の機械式圧縮機は、例えば、回転圧縮機または往復動圧縮機を備えることができる。この図では、第１の機械式圧縮機群４２において３つの機械式圧縮機が並列に動作する。第１の機械式圧縮機群４２は、ガスをさらに高められた圧力に上昇させ、受け取られるガスは温度が高められる。そのさらなる加圧ガスは、第１の機械式圧縮機群４２の第１の段のカスケード式ヒートポンプ中間冷却器４４に送られ、圧縮熱を取り除き、加圧空気の温度を下げ、それにより空気をさらに圧縮するために必要なエネルギを低下させる。
【００４８】
この実施形態の機械式圧縮バンク３０は、ガス圧縮システム１０の第６の段および第７の段を形成する第２の機械式圧縮機群４６および第３の機械式圧縮機群５０を有する。第６の段では、この例では並列に動作する２つの機械式圧縮機によって形成される第２の機械式圧縮機群４６が、機械式圧縮バンク３０の第５の段で圧縮されかつ冷却された空気を受け取る。第６の段の機械式圧縮機群４６は、第５の段から受け取った空気をさらに圧縮し、カスケード式ヒートポンプ中間冷却器４８は、機械式圧縮バンク３０の第６の段内に配置されて第５の段の圧縮機群４６から加圧空気を受け取る。ガス圧縮システム１０の第７の最終段では、この実施形態では単一の機械式圧縮機によって形成される第３の機械式圧縮機群５０は、機械式圧縮バンク３０の第６の段で圧縮されかつ冷却された空気を受け取り、このガスを流出口５２を通して加圧ガスを供与する前にさらに圧縮する。
【００４９】
本発明によれば、さらに図７を参照すると、ガス圧縮システム１０によるガスの加圧は、さらに大きなシステムを駆動するために有利に採用することができる。限定ではなく例として、システム１０によって加圧されたガスは、どちらも２０１８年８月２８日に出願された本発明者の同時係属中の米国特許出願第１６／１１５，５３１号およびＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１８／４８４１３号の空気駆動発電機１００において作動流体の周期的な動きを誘発するように動作する加圧ガスとして利用され得る。このような両方の出願の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。このようなガス圧縮システム１０の利用では、ガスは最終段の後に中間冷却によって冷却されなくてもよく、追加の熱およびその結果生じる圧力により、空気駆動発電機１００の浮力導管への空気の注入を促進させて液状作動流体を変位させることができる。
【００５０】
図７のように、このように創出されたのは作動流体の動きから電力を発生させるための空気駆動発電機であり、該空気駆動発電機は、それぞれ上端部および下端部を持つ１本または複数本の細長い重力分配導管と、それぞれ上端部および下端部を持つ１本または複数本の細長い浮力導管と、を有する。浮力導管の１つまたは複数の上端部は、重力分配導管の１つまたは複数の上端部と流体連通し、重力分配導管の１つまたは複数の下端部は、浮力導管の１つまたは複数の下端部と流体連通し、それにより、浮力導管と重力分配導管との間に、浮力導管の上端部から流れる作動流体が重力分配導管の上端部に送り込まれるとともに、重力分配導管を通って下向きに流れる作動流体が該分配導管の下端部から複数本の浮力導管の下端部に送り込まれる閉じた流体ループが形成される。流体タービンシステムは、１本または複数本の重力分配導管の１つまたは複数の下端部と、浮力導管の１つまたは複数の下端部との間に流体的に介装される。空気注入システムは、本明細書に開示されているガス圧縮システム１０によって圧縮されている空気を用いて、浮力導管のそれぞれに空気を注入するように動作する。ガス圧縮システム１０によって供給され、浮力導管内に配置された作動流体に注入される空気は、浮力導管内の作動流体に上向きの流れを誘発する傾向があり、重力分配導管の上端部に送られる作動流体は該重力分配導管内を下向きに流れて流体タービンシステムを発動させる。したがって、本開示の教示と、参照により本明細書に組み込まれる参考文献の教示との組み合わせは、本ガス圧縮システム１０を使用して圧縮されたガスを受け取る空気駆動発電機１００を開示する。
【００５１】
また、本明細書に開示される熱力学的方法およびシステム１０によれば、カスケード式中間冷却器１６，２４，３０，３６，４４および４８のヒートポンプの動作に使用されるエネルギ量は、ヒートポンプによって収集され、より一層大きな流体フローシステムの全体的な効率を拡大するという副次的な目的のために使用される。限定ではなく例として、カスケード式中間冷却器１６，２４，３０，３６，４４および４８のヒートポンプによって収集された熱は、本発明者の同時係属中の米国出願第１６／１１５，５３１号およびＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１８／４８４１３号の空気駆動発電機の作動流体を加熱するために採取しかつ利用することができ、それにより、これらの出願で開示されかつ保護される空気駆動発電機１００の効率を改善することができる。
【００５２】
空気駆動発電機１００内の流体を断熱熱のみよりも過熱し、空気駆動発電機１００の浮力導管に注入された圧縮空気を過剰膨張させることなどにより、さらなる熱を採取して利用することができる。空気駆動発電機１００の浮力導管内のガス状流体のそのような過剰膨張は、より大きな体積の作動流体を変位させ、より大きな駆動力を創出し、このより大きな駆動力は今度はより多くの電力を発生させる。
【００５３】
特にシステム１０の初期の圧縮サイクルでは、カスケード式冷凍ヒートポンプ中間冷却器１６，２４，３０および３６の温度を氷点より高く保ち、凝縮した水蒸気が中間冷却器コア６６の冷却コイルに堆積しないようにすることが望ましい。これは、空気中の水蒸気を除去するのに役立ち、かつ圧縮に必要なエネルギを減少させる。空気が圧縮されると、この空気は圧縮前ほど多くの水蒸気を保持できなくなり、これは蒸気を強制的に凝縮して液体の水にし、潜熱を放出させる。システム１０における潜熱の放出は、ヒートポンプ中間冷却器１６，２４，３０および３６をより高い効率範囲で動作させ続ける。潜熱および摩擦熱の除去により、圧縮機１２，２２，２８および３４の背圧が低下するとともに、空気を圧縮するために必要なエネルギが低下する。
【００５４】
後続の段では、この空気は機械的に圧縮されてより多くの断熱熱を放出し、再び空気の温度を上昇させ、空気の温度をヒートポンプ冷凍システム４４および４８のより高い効率の範囲に戻す。この加熱された圧縮空気は、冷凍ヒートポンプサイクルで今度は再び低温に戻され、空気を圧縮するために必要なエネルギは再び低減される。この交互の機械式サイクル／低温冷凍サイクルは、目的の最終圧力に達するまで何度も繰り返される。
【００５５】
いくつかの機械式圧縮／冷凍サイクルの後、空気の水蒸気含有量は、加熱された圧縮空気をより低い準氷点温度まで中間冷却するには十分に低く、これは圧縮に必要なエネルギをさらに低減する。機械式圧縮サイクルに代わる低温冷凍サイクルが多ければ多いほど、空気を最終的な高圧に圧縮するために必要な電力の総消費量は少なくなる。本明細書に開示したように、ヒートポンプが非常に高い成績係数で動作する温度範囲は非常に限られているため、ヒートポンプ蒸発器ユニットは、最も高い温度で最初に冷却する中間冷却器とその後により低い温度で冷却する１つまたは複数の中間冷却器とを持つ複数のカスケード式中間冷却器を有するカスケード式冷却中間冷却器構成で構成される。
【００５６】
このカスケード式中間冷却器構成は、各サイクルにおける蒸発器に対する凝縮器のデルタ温度差を減らすことによってヒートポンプの成績係数を非常に高く保つことにも役立つ。これは、最低温度の冷凍ヒートポンプに、該冷凍ヒートポンプの熱を高められた室温またはそれ以上で排出させるに代わりに、その熱を次に高温の冷凍ヒートポンプの蒸発器区域に伝達させることによって実現される。各冷凍ヒートポンプの温度が高いほど、各冷凍ヒートポンプが処理しなければならない、中間冷却器のその温度範囲の熱エネルギだけでなく、次に低い冷凍ヒートポンプ中間冷却器の熱の熱エネルギに対する能力が大きくなることが認識されている。このようにして、すべての熱が最高温度のヒートポンプに到達すると、蒸発器の温度を非常に高い高められた温度に上昇させることができる。断熱熱に加えて、冷凍ヒートポンプは摩擦および水蒸気凝縮の潜熱による熱も収集する。
【００５７】
ガス状流体圧縮システム１０の予測される性能を知らせるために、特定の例および計算を提供することができるが、実際の性能に関するいかなる表現も信頼されることを意図していないことが理解される。限定的ではない例示的な一例では、空気は、０ｐｓｉのゲージ圧でかつ７０°Ｆと想定し得る周囲温度で、ガス圧縮システム１０に引き込まれる。高圧ブロワ１２は、空気吸気口１４を介して空気を取り込むとともに該空気を、圧縮システム１０の構成および他の要因に応じて、例えばおおよそ３．７５〜５．５ｐｓｉまで圧縮する。その流体圧縮により断熱熱が放出され、この圧縮空気の温度が１４０°Ｆ〜１７０°Ｆの間に上昇する。カスケード式ヒートポンプ中間冷却器１６は断熱熱を取り除き、空気をさらに圧縮するために必要なエネルギを低下させる。ヒートポンプ中間冷却器１６は、加圧空気の温度を減少させ、その結果、圧力が低下する。システム１０の実施形態では、例えば、温度は、元の周囲温度よりもおおよそ３３°Ｆ低く低下させられ得る。計算上、高圧ブロワ１２が必要とする正味の力は、２〜３ｐｓｉのゲージ圧力だけ減少する。
【００５８】
さらに図２を参照すると、その空気は、第１のカスケード式中間冷却器１６の高温区域に入る。この空気は、１４０°Ｆ〜１７０°Ｆから、約１００°Ｆ〜８０°Ｆまで冷却される。その後、この空気は、中間冷却器１６の中温区域に入る。この空気は、１００°Ｆ〜８０°Ｆから約６０°Ｆ〜５０°Ｆまで冷却される。その後、この空気は、中間冷却器１６の低温区域に入る。そこで、この空気は、６０°Ｆ〜５０°Ｆから約３３°Ｆまで冷却される。水トラップ１８は、いかなる凝縮水も除去するように動作し、その凝縮水は空気駆動発電機１００で使用され得る。
【００５９】
ブロワ圧縮バンク２０の第２の段では、空気は、３.７５ｐｓｉ〜５.５ｐｓｉのゲージ圧でかつ３３°Ｆで第２の高圧ブロワ２２に入り、この空気はゲージ圧で４ｐｓｉ〜５.５ｐｓｉ圧縮され、再び空気を１４０°Ｆ〜１７０°Ｆに加熱する。この時点で、累積的な圧力増加はゲージ圧で８ｐｓｉ〜１１ｐｓｉである。次に、空気は第２のカスケード式中間冷却器２２の高温区域に入り、そこで１４０°Ｆ〜１７０°Ｆから約１００°Ｆ〜８０°Ｆに冷却される。この空気はその後、中間冷却器２２の中温区域に入り、そこで１００°Ｆ〜８０°Ｆから約６０°Ｆ〜５０°Ｆに冷却される。その後、この空気は、中間冷却器２２の低温区域に入り、そこで６０°Ｆ〜５０°Ｆから約３３°Ｆに冷却される。水トラップ２６は、いかなる凝縮水も除去するように動作し、その凝縮水は、空気駆動発電機１００で使用するために収集され得る。
【００６０】
ブロワ圧縮バンク２０の第３の段では、空気は８ｐｓｉ〜１１ｐｓｉのゲージ圧でかつ３３°Ｆで第３の高圧ブロワ２８に入り、この空気はゲージ圧で４ｐｓｉ〜５.５ｐｓｉ圧縮され、再び空気を１４０°Ｆ〜１７０°Ｆに加熱する。この時点での累積的な圧力増加は、ゲージ圧で１６ｐｓｉ〜１８ｐｓｉである。空気は次に、第３のカスケード式中間冷却器３０の高温区域に入り、そこで１４０°Ｆ〜１７０°Ｆから約１００°Ｆ〜８０°Ｆに冷却される。この空気は次に、中間冷却器３０の中温区域に入り、そこで１００°Ｆ〜８０°Ｆから約６０°Ｆ〜５０°Ｆに冷却される。その後、この空気は、中間冷却器３０の低温区域に入り、そこで６０°Ｆ〜５０°Ｆから約３３°Ｆに冷却される。水トラップ３２は、いかなる凝縮水も除去するように動作し、その凝縮水は、空気駆動発電機１００で使用するために収集され得る。
【００６１】
ブロワ圧縮バンク２０の第４の段では、空気は１６ｐｓｉ〜１８ｐｓｉのゲージ圧でかつ３３°Ｆで第４の高圧ブロワ３４に入り、ゲージ圧で５ｐｓｉ〜５.５ｐｓｉ圧縮され、再び空気を１４０°Ｆ〜１７０°Ｆに加熱する。この時点での累積的な圧力増加は、ゲージ圧で１８ｐｓｉ〜２２ｐｓｉである。空気は次に、第４のカスケード式中間冷却器３６の高温区域に入り、そこで１４０°Ｆ〜１７０°Ｆから約１００°Ｆ〜８０°Ｆに冷却される。この空気は次に、中間冷却器３６の中温区域に入り、そこで１００°Ｆ〜８０°Ｆから約６０°Ｆ〜５０°Ｆまで冷却される。その後、この空気は、中間冷却器３６の低温区域に入り、そこで６０°Ｆ〜５０°Ｆからおおよそ３３°Ｆまで冷却される。水トラップ３８は、いかなる凝縮水も除去するように動作し、その凝縮水は、空気駆動発電機１００で使用するために収集され得る。
【００６２】
ブロワ圧縮バンク２０を出る空気は、機械式圧縮バンク３０に入り、そこでは高圧ブロワ１２，２２，２８および３４は、往復動圧縮機を有する機械式圧縮機群４２，４６および５０に取って代わられる。空気は、１８ｐｓｉ〜２２ｐｓｉのゲージ圧でかつ３３°Ｆで第５の段の圧縮にある往復動圧縮機の第１の群４２に入る。空気はゲージ圧で２０ｐｓｉ〜３０ｐｓｉ圧縮され、再び１４０°Ｆ〜１７０°Ｆに加熱される。この時点で、累積的な圧力増加はゲージ圧で４０ｐｓｉ〜６５ｐｓｉになる。この空気は次に、第５のカスケード式中間冷却器４４の高温区域に入り、そこで１４０°Ｆ〜１７０°Ｆから約１００°Ｆ〜８０°Ｆに冷却される。この空気は次に、カスケード式中間冷却器４４の中温区域に入り、そこで１００°Ｆ〜８０°Ｆから約６０°Ｆ〜５０°Ｆに冷却される。この空気は次に、中間冷却器４４の低温区域に入り、そこで６０°Ｆ〜５０°Ｆからおおよそ３３°Ｆに冷却される。水トラップは、例えば空気駆動発電機１００で使用するために、凝縮水を除去し、その凝縮水を収集することができる。
【００６３】
空気は、４０ｐｓｉ〜６５ｐｓｉのゲージ圧でかつ３３°Ｆで第６の段の圧縮における往復動圧縮機の第２の群４６に入る。空気はゲージ圧で２０ｐｓｉ〜３０ｐｓｉ圧縮され、再び１４０°Ｆ〜１７０°Ｆに加熱される。累積的な圧力増加は、ゲージ圧で６５ｐｓｉ〜８５ｐｓｉになる。この空気は引き続いて、第５のカスケード式中間冷却器４８の高温区域に入り、そこで１４０°Ｆ〜１７０°Ｆから約１００°Ｆ〜８０°Ｆに冷却される。次に、この空気は、カスケード式中間冷却器４８の中温区域に入り、そこで１００°Ｆ〜８０°Ｆから約６０°Ｆ〜５０°Ｆに冷却される。この空気は次に、中間冷却器４８の低温区域に入り、そこで６０°Ｆ〜５０°Ｆからおおよそ３３°Ｆに冷却される。水トラップは、例えば空気駆動発電機１００で使用するために、凝縮水を除去し、その凝縮水を収集することができる。
【００６４】
第７の段の圧縮において、空気は６５ｐｓｉ〜８５ｐｓｉのゲージ圧でかつ３３°Ｆで、単一の圧縮機を備え得る往復動圧縮機の第３の群５０に入る。空気はゲージ圧で５０ｐｓｉ〜１５０ｐｓｉ圧縮され、再び１４０°Ｆ〜１７０°Ｆに加熱される。累積的な圧力増加は、ゲージ圧で１２５ｐｓｉ〜２５０ｐｓｉになる。より高い圧力が必要な場合は、追加の段を追加して、目的のｐｓｉに到達させることができる。最終段の圧縮の後、空気は後冷却されないため、追加の熱およびその結果生じるｐｓｉを用いて、空気駆動式発電機１００に空気を注入し、作動流体を変位させることができる。
【００６５】
空気を参照して説明したが、他のガスに関連して使用することができる、本明細書に開示されるガス圧縮システム１０および方法は、電力消費を５０％以上削減可能であると計算されている。圧縮システム１０は、圧縮機と冷凍ヒートポンプとを交互に使用して、断熱熱を除去するとともに背圧を低下させ、同様に空気を圧縮するのに必要なエネルギを低下させる。これは、機械式圧縮機のエネルギを約６０％低下させる。
【００６６】
ガス状流体圧縮システム１０に関する本発明の特定の詳細および実施形態を開示したことによって、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、多くの変更および追加を行うことができることが当業者には理解されよう。これは、現在好ましい実施形態が、本明細書で明らかにされるより広い発明を単に例示するだけであることを念頭に置く場合に特に当てはまる。非限定的な一例では、より小さく、より容量の小さいシステムは、往復動圧縮機のみ、または理論的には高圧ブロワ圧縮機のみを使用することができる。したがって、本発明の主要な特徴を念頭に置いた者は、好ましい実施形態に含まれる特徴のすべてを組み込んでいないが、それらの主要な特徴を組み込んだ実施形態を作り出せることは明らかであろう。
【００６７】
したがって、以下の請求項は、発明者に与えられる保護の範囲を定めることを意図している。それらの請求項は、それらが本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、同等の構成を含むと見なされるものとする。さらに、以下の複数の請求項は、特定の要素を、特別の機能を実行するための手段として、時には構造または材料を詳しく説明することなしに表現する場合があることに留意されたい。法律が要求するように、これらの請求項は、本明細書で明示的に説明された対応する構造および材料だけでなく、法的に認識可能な該構造および材料に対するすべての均等物も包含するものと解釈される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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