(57)【要約】流体ストリーム間の熱交換のための熱交換器は、ストリームの通過を制御する回転特徴を組み込む。【選択図】図１０
2021524571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）チャンバーと、
ｂ）第１の流体ストリームの少なくとも一部を通過させるための、前記チャンバーに対する少なくとも１つの第１の入口及び少なくとも１つの第１の出口と、
ｃ）第２の流体ストリームの少なくとも一部を通過させるための、前記チャンバーに対する少なくとも１つの第２の入口及び少なくとも１つの第２の出口と、
ｄ）回転軸の周りに回転させるために搭載された前記チャンバー内の少なくとも１つの回転可能本体と、
を備える、再生熱交換器モジュールであって、
前記少なくとも１つの本体は、前記回転軸に横方向に延在しかつ流体透過性熱伝達媒体によって分離された複数の流体流通路を備え、該複数の流体流通路は、使用時、
ｉ．第１の回転位置において、前記複数の流体流通路が前記少なくとも１つの第１の入口及び前記少なくとも１つの第１の出口に整列し、それにより、前記第１の流体ストリームの前記少なくとも一部が、前記少なくとも１つの第１の入口を通して前記流体流通路のうちの少なくとも１つの流体流通路に入り、前記流体透過性熱伝達媒体を通して少なくとも１つの隣接する流体流通路に入り、そして、前記少なくとも１つの隣接する流体流通路を通して前記少なくとも１つの第１の出口に入るように通過し、
ｉｉ．第２の回転位置において、前記複数の流体流通路が前記少なくとも１つの第２の入口及び前記少なくとも１つの第２の出口に整列し、それにより、前記第２の流体ストリームの前記少なくとも一部が、前記少なくとも１つの第２の入口を通して前記流体流通路のうちの少なくとも１つの流体流通路に入り、前記流体透過性熱伝達媒体を通して少なくとも１つの隣接する流体流通路に入り、そして、前記少なくとも１つの隣接する流体流通路を通して前記少なくとも１つの第２の出口に入るように通過する、
ように配置されることを特徴とする、再生熱交換器モジュール。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第１の入口及び前記少なくとも１つの第１の出口は、互いに円周方向に対向し、前記少なくとも１つの第２の入口及び前記少なくとも１つの第２の出口は、互いに円周方向に対向する、請求項１に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項３】
前記第１の流体ストリームの前記少なくとも一部が、前記第１の回転位置において前記少なくとも１つの第１の出口からそこに入る前記流体流通路の前記少なくとも１つは、前記第２の流体ストリームの前記少なくとも一部が前記第２の回転位置においてそこから前記第２の出口に入るように通過する前記少なくとも隣接する流路でもあり、
前記第１の流体ストリームの前記少なくとも一部が前記第１の回転位置においてそこから前記少なくとも１つの第１の出口に入るように流れる前記少なくとも１つの隣接する流路は、前記第２の流体ストリームの前記少なくとも一部が前記第２の回転位置において流入する前記流体流通路の前記少なくとも１つでもある、請求項１又は２に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項４】
前記回転可能本体はロータードラム内に収容され、前記ロータードラムは圧力容器内に収容され、それにより、前記ロータードラムは、前記回転可能本体とともに回転するように適合され、前記圧力容器は静止したままである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の、チャンバーを備える再生熱交換器モジュール。
【請求項５】
前記圧力容器及び前記ロータードラム内に外部貫通部を更に備え、該外部貫通部は、前記第１の入口及び前記第１の出口でシールするために前記第１の回転位置に、また、前記第２の入口及び前記第２の出口でシールするために第２の回転位置に整列し、前記圧力容器及び前記ロータードラム内の前記貫通部は前記流体透過性熱伝達媒体内で前記複数の流体流通路の前記少なくとも１つにも整列する、請求項４に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項６】
前記静止圧力容器と前記ロータードラムとの間の円形摺動界面を備え、該円形摺動界面は、密封係合が、第１の回転位置において第２の流体ストリームの通過を遮断し、第２の回転位置において第１の流体ストリームの通過を遮断することを可能にする、請求項４又は５に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項７】
前記流体透過性熱伝達媒体は、ハニカムマトリクス構造で、メッシュで、又はともに積み重ねられたハニカムブロックとして配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第１の入口、前記少なくとも１つの第１の出口、前記少なくとも１つの第２の入口、前記少なくとも１つの第２の出口、前記流体透過性熱伝達媒体、及び前記複数の流体流通路は、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にある、請求項１〜７のいずれか一項に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項９】
ｉ）前記少なくとも１つの第１の入口及び前記少なくとも１つの第１の出口は、前記回転軸に垂直な平面に対して互いに同一平面上になく、
ｉｉ）前記少なくとも１つの第２の入口及び前記少なくとも１つの第２の出口は、前記回転軸に垂直な平面に対して互いに同一平面上になく、
ｉｉｉ）前記複数の流体流通路は、前記回転軸に沿って分配され、それにより、少なくとも１つの流体流通路は、前記少なくとも１つの第１の入口、前記少なくとも１つの第１の出口、前記少なくとも１つの第２の入口、及び前記少なくとも１つの第２の出口のそれぞれを有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にあり、
ｉｖ）前記流体透過性熱伝達媒体は、前記回転軸に沿って分配され、それにより、第１の回転位置において、前記第１の流体ストリームの前記少なくとも一部は、前記少なくとも１つの第１の入口を有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の流体流通路から、前記流体透過性熱伝達媒体を通して、前記少なくとも１つの第１の出口を有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の少なくとも１つの隣接する流体流通路に入るように通過し、第２の回転位置において、前記第２の流体ストリームの前記少なくとも一部は、前記少なくとも１つの第２の入口を有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の流体流通路から、前記流体透過性熱伝達媒体を通して、前記少なくとも１つの第２の出口を有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の少なくとも１つの隣接する流体流通路に入るように通過する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の再生熱交換器モジュール。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第１の入口は、前記少なくとも１つの第２の出口を有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にあり、前記少なくとも１つの第２の入口は、前記少なくとも１つの第１の出口を有する、前記回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にある、請求項９に記載の再生熱交換器。
【請求項１１】
前記第１の流体ストリームは前記第２の流体ストリームより高い圧力を有し、前記第２の流体ストリームは、前記第１の流体ストリームより高い温度で熱交換器に入り、前記第１の流体ストリームは、前記第１の流体ストリームが入るときより高い温度で熱交換器を出て、前記第２の流体ストリームは、前記第２の流体ストリームが入るときより低い温度で熱交換器を出る、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の再生熱交換器。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体であって、熱交換器の間での前記第１の流体ストリーム及び第２の流体ストリームの通過を可能にするために結合される、組み立て体。
【請求項１３】
タービンサイクルを実施するためのシステムであって、タービン、燃焼器、及び、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つの再生熱交換器又は請求項１２に記載の少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体を備える、システム。
【請求項１４】
前記タービンは、セラミック材料を主に含むアウトランナータービンである、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記燃焼器は無炎燃焼器システムであり、該無炎燃焼器システムは、
長手方向に延在する燃焼チャンバーであって、該燃焼チャンバーを通して、酸化剤が入口から出口まで前記長手方向に流れる、燃焼チャンバーと、
少なくとも１つの燃料ラインと、
を備え、
前記燃料ラインと流体連通状態にある少なくとも１つの燃料注入パイプラインは前記燃焼チャンバーの壁を貫通して延在し、各燃料注入パイプラインは、燃料を前記燃焼チャンバー内に注入するための少なくとも１つの燃料注入器を含む、請求項１３又は１４に記載のシステム。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つの再生熱交換器、請求項１２に記載の少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体、又は請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステムを備える自動車又は自動車用エンジン。
【請求項１７】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つの再生熱交換器、請求項１２に記載の少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体、又は請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステムを備える静的発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
特徴のあるデバイスは、熱交換器として使用するための回転リジェネレーター（rotary regenerator）又はレキュペレーター（recuperator）のタイプである。上記回転リジェネレーターを利用することができるガスタービンサイクルも述べられる。そのようなリジェネレーター及び／又はそれらを利用するタービンサイクルは、限定はしないが、自動車用途及び静的発電（static generation）を含む或る範囲の用途で利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
再生熱交換器（すなわち、リジェネレーター）は、異なる温度の２つのストリーム間で熱を交換するように設計された熱交換器のタイプである。熱流体（通常、ガス）のストリームは、中実熱質量又は媒体と接触させられ、或る期間にわたって媒体の温度を上げる。その後、流路の何らかの切り替えの結果として、冷流体のストリームが、或る期間にわたって、現在熱い媒体と接触させられ、同じ表面を介して熱を外に伝達する。熱流体及び冷流体は、反対方向に流れる（向流（counter-flow））又は同じ方向に流れる（並行流（co-flow））ことができるが、前者が、概してより効果的である。
【０００３】
これは、熱ストリーム及び冷ストリームが離れて永久的にシールされ、流体ストリームが反転されることなく、熱が完全に中実分割媒体（solid dividing media）を通って連続して移動しなければならない典型的な熱交換器と異なる。
【０００４】
「ユングストローム（Ljungstrom）」タイプ回転リジェネレーターは、メッシュ又はハニカムから形成された円柱熱貯蔵媒体がその回転軸の周りに回転する回転リジェネレーターである。その最も単純な形態において、熱貯蔵媒体の前面は、シールによって、名目上はガス密の２つのセクションに分割され、熱ガス及び冷ガスが、回転軸に平行でかつ熱貯蔵媒体の前面に垂直な方向に両方のセクションを通して同時に流れる。熱媒体は、回転する際、熱を、冷ストリームまで輸送する前に熱ストリームから吸収する。
【０００５】
「ローテミューレ（Rothemuhle）」タイプリジェネレーターは、同じ原理を使用するが、代わりに、静止熱貯蔵ホイールを利用し、流体のストリームは、熱貯蔵ホイールを覆うシール面を摺動しながら、流れを媒体の異なる部分内に順次誘導する回転フードを通して導かれて、高圧流が低圧ストリーム内に方向転換するのを防止する。
【０００６】
特許文献１、特許文献２、及び特許文献３は、デバイスに対する流入及び流出が熱媒体ホイールの回転軸に平行であるように入口及び出口ダクトが方向付けされる回転リジェネレーターを示している。こうして、通常、異なる圧力にある熱ストリームと冷ストリームとの間のシールが熱媒体ホイールの表面上に形成される。そのようなリジェネレーターは、重大なシール問題に悩まされる可能性がある。なぜならば、高温熱貯蔵媒体として使用するのに理想的な材料が、著しい圧力差に適さない又は摺動界面の摩耗に耐えるのに適さないからである。例えば、セラミックハニカム構造が薄い壁を有し、そのような媒体の前面に、強制摺動界面を連続して当てることは、その構造を崩す可能性があり、それにより、シールを弱体化させる隙間が作成される。
【０００７】
特許文献４等の従来技術は、「ローテミューレ」又は「ユングストローム」タイプリジェネレーターのための新規なシール機構を利用する。そのようなシールは、複雑な幾何形状を使用し、高温用途のために必要とされる材料とともに利用することができない。
【０００８】
他の解決策（非特許文献１）は、熱貯蔵ホイールが静止しているときに係合し、ホイールが回転し、熱ストリーム及び冷ストリームへの／からのアクセスを切り替えることを可能にするために係脱する、機械的に（場合によっては、水圧で又は空気圧で）展開可能なシールによって、熱媒体ホイール上のシールが一時的に形成される、角度割り出し式回転（indexed rotation）も使用してきた。利点は、シール面が、熱媒体ホイール上をたどって摺動する必要がなく、代わりに、熱媒体ホイール面上に降りて軽くかみ合うことができることである。欠点は、シールがかみ合わない場合、高圧ストリームから低圧ストリームに漏洩が起こり、この漏洩を最小にするためにホイール（又はシール機構）が迅速に回転することを必要とすることである。そのため、そのようなリジェネレーターは、反復的でかつより高速の運動によって、連続回転リジェネレーターより機械的に大きい応力がかかり、任意の軸受けの寿命を減少させ、シールは、より多くの可動部分及びサブシステムが全て高温で運転している状態で能動制御を必要とし、したがって、信頼性を減少させる。
【０００９】
従来のリジェネレーターは、異なる圧力のストリーム間で熱を交換するとき、「キャリーオーバー損失（carry-over loss）」として知られる現象に悩まされる。キャリーオーバー損失は、高圧ガスの体積が、熱媒体の内部の空気空間内に周期的にシールされ、その後、低圧ストリーム内に放出されるために起こる。このガスの体積を加圧するために必要とされた仕事は、流れのバーストの形態でシステム出口に渡されることになる。逆に、高圧ストリームにキャリーオーバーされる低圧ガスの体積は、リジェネレーター内への流れのバーストが圧力を均一にするようにさせる。ガスタービンサイクルの場合、キャリーオーバー損失は、高圧流体を排出することによって、タービンを通る利用可能な高圧流を減少させ、浪費される圧縮仕事を増加させる効果を有し、したがって、システム効率の減少をもたらす。典型的な設計要件は、キャリーオーバーされるガスの質量流量が、システムを通るガスの名目上の質量流量と比べて小さい、場合によっては１％未満であることを保証することである可能性がある。
【００１０】
リジェネレーターは、ガスタービンサイクルを実装するシステム等の大きいシステムの一部としてしばしば利用される。一般に利用されるガスタービンサイクルは、再生開放ブレイトンサイクル（Brayton cycle）である。作動流体、通常、空気は、大気から引き抜かれ、圧縮され、リジェネレーターを使用してタービン排気から温度が上げられ、熱入力を更に使用して（典型的には、燃焼器内の燃料を使用して）温度が上げられる。タービンは、仕事を取り出し、流体の温度及び圧力を低減する。タービンからの排気は、やって来る圧縮された作動流体を予熱するために使用される。しばしば、タービンは、共通シャフトを介して直接取り付けられる圧縮機を駆動し、電力を発生させるための発電機を更に駆動することができる。互いを補完するようにサイクル内のコンポーネントを整合することにより、サイクルの効率を最大にすることができる。
【００１１】
発電量（power generation）対熱エネルギー入力（典型的には、燃料の燃焼による）の比として規定されるガスタービンサイクルの熱効率は、典型的には、サイズとともに増加する（非特許文献２）。５０ＭＷ未満の正味電力出力を発生する単一タービンサイクルは、典型的には、約３５％より大きい効率に達しない。これは、大きいタービンほど（例えば、ブレード冷却技術又は燃焼段における蒸気注入を通して）より複雑であるのに適するからである。付加された複雑さ、エキゾチック金属の使用、及び／又は、蒸気注入のために水を浄化する要件は、追加コストをもたらし、追加コストはより大規模においてのみ受け入れられる。ガスタービンサイクルが、例えばタービン排気からより多くのエネルギーを取り出す蒸気サイクルと結合される結合サイクルシステム（combined cycle system）を使用することによってサイクルの正味電力出力を増加させることが可能である。蒸気サイクルと結合したブレイトンサイクル等の結合サイクルは、複雑さを付加し、典型的には、コスト、蒸気を形成する困難さ、及び小規模蒸気タービン技術の可用性によって、小規模で実行可能でない。
【００１２】
開放ブレイトンサイクルは、典型的には、窒素酸化物（ＮＯＸ）汚染物質の形成にも悩まされるであろう。大規模ガスタービンシステムは、排気処理システムを利用して、全てではないが大多数の汚染物質を除去することができる。しかしながら、この処理は、小規模ガスタービンシステムについての複雑さ、コスト、及び空間使用を付加する。
【００１３】
小規模のブレイトンサイクルは、適度に効率的とすることができるタービンを必要とする。高温においてかつ低電力出力において、これは、効率を上げるために結合サイクル（上述した回転リジェネレーター等）が必要でないようにタービン排気から十分な熱を取り出すことができる効果的な熱回収デバイスを見出すことと、効率を下げることになる冷却用流体を必要とすることなく、所望の燃料を燃焼することができる低排出燃焼器を見出すこととを必要とする。
【００１４】
高効率（４０％を上回る熱入力対発電量）ブレイトンサイクルが従来技術において存在する。しかしながら、これらのシステムは、典型的には、これらの効率を妥当なコストで達成するために大規模実装態様を通常必要とする。例えば、特許文献５は、半閉鎖式ブレイトンサイクルを示しており、半閉鎖式ブレイトンサイクルは、酸化剤として純酸素を利用し、したがって、作動流体を、空気から水、二酸化炭素、及び酸素混合物に変更し、こうして、ＮＯＸ排出の可能性を除去する。このシステムは、必要とされる空気分離のために必然的により複雑になり、大規模でのみ実行可能になる。空気に対する代替の作動流体を利用する同様の半閉鎖式システム（超臨界二酸化炭素を使用するアラムサイクル（Allam cycle）等）が存在する。しかしながら、これらは全て、開放ブレイトンサイクルより大きい複雑さに悩まされる。（任意の他の検討がからむ前に、空気が大気から自由に入手可能であるが、これらの代替の作動流体が、特別に提供されなければならないという事実が存在する。そうすることの要件は、代替の作動流体を使用するサイクルが、作動流体として空気を使用する別様に同等のサイクルより常に複雑であることを意味するであろう。）
【００１５】
他の従来技術は、熱エネルギーを提供するために炭化水素を燃焼させることから生じる、排出、システム統合、及び燃焼器の設計に関連する関連問題を取り除くために、中間熱入力を用いるブライトンサイクルを使用する。特許文献６は、電動化自動車ユニット上で使用するために、貯蔵熱エネルギーによって駆動される４８％〜５０％の効率を有する開放ブライトンサイクルを記載している。この特許は、貯蔵熱エネルギーを再生するため、燃料を燃焼させる可能性を記載している。しかしながら、発明の低汚染の特質がこの行為によって低下し、高排出サイクルをもたらすことになる。
【００１６】
他の開放ブライトンマイクロタービンサイクルが存在するが、概して、効率的な発電のために意図されない。ブライトンサイクルを使用するマイクロタービンシステムの例は、特許文献７等の従来技術に示されている。この従来技術は、圧縮空気の２次出力を提供するマイクロタービンシステムを記載している。したがって、このシステムの発電効率は、タービンの仕事のほとんどが空気を圧縮するために使用されるため、低いであろう。
【００１７】
ブライトンサイクルを使用する高効率マイクロタービンは、サイクルに複雑さを付加することによって実現することができる。例えば、特許文献８は、別個のスプール上の圧縮機の間に中間冷却を有する高効率マルチスプールブライトンサイクルを記載している。または、特許文献９は、複数の燃焼器を用いるガスタービンサイクルを記載している。このタイプの複雑さは、サイクルの制御及びシステムの全体設計に固有の複雑さを付加し、したがって、マイクロタービンレベルで構築される場合、費用効果的でないことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第３１３８１９８号
【特許文献２】米国特許第３３９１７２７号
【特許文献３】米国特許第３２７６５１５号
【特許文献４】米国特許第５９５０７０７号
【特許文献５】米国特許第６６２２４７０号
【特許文献６】米国特許第５８７３２５０号
【特許文献７】米国特許第６１７０２５１号
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１２０３２４９０３号
【特許文献９】米国特許第９２７９３６４号
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】D.G. WILSON and T. KORAKIANITIS, 「The design of high-efficiency turbomachinery and gas turbines」2nd ed., Massachusetts Institute of Technology, 2014
【非特許文献２】Bejan, A., Lorente, S., Yilbas, B., & Sahin, A. (2011). 「The effect of size on efficiency: Power plants and vascular designs」 International Journal of Heat and Mass Transfer, 54(7), 1475-1481
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
低排出を有し続けながら、小規模で実行可能でありかつ複数の燃料を利用することが可能な高効率で複雑さが低いガスマイクロタービンサイクルが依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
第１の態様において、本発明は、
ａ）チャンバーと、
ｂ）第１の流体ストリームの少なくとも一部を通過させるための、チャンバーに対する少なくとも１つの第１の入口及び少なくとも１つの第１の出口と、
ｃ）第２の流体ストリームの少なくとも一部を通過させるための、チャンバーに対する少なくとも１つの第２の入口及び少なくとも１つの第２の出口と、
ｄ）回転軸の周りに回転させるために搭載されたチャンバー内の少なくとも１つの回転可能本体と、
を備える、再生熱交換器モジュールであって、
少なくとも１つの本体は、回転軸に横方向に延在しかつ流体透過性熱伝達媒体によって分離された複数の流体流通路を備え、複数の流体流通路は、使用時、
ａ）第１の回転位置において、複数の流体流通路が少なくとも１つの第１の入口及び少なくとも１つの第１の出口に整列し、それにより、第１の流体ストリームの少なくとも一部が、少なくとも１つの第１の入口を通して流体流通路のうちの少なくとも１つの流体流通路に入り、流体透過性熱伝達媒体を通して少なくとも１つの隣接する流体流通路に入り、そして、少なくとも１つの隣接する流体流通路を通して少なくとも１つの第１の出口に入るように通過し、
ｂ）第２の回転位置において、複数の流体流通路が少なくとも１つの第２の入口及び少なくとも１つの第２の出口に整列し、それにより、第２の流体ストリームの少なくとも一部が、少なくとも１つの第２の入口を通して流体流通路のうちの少なくとも１つの流体流通路に入り、流体透過性熱伝達媒体を通して少なくとも１つの隣接する流体流通路に入り、そして、少なくとも１つの隣接する流体流通路を通して少なくとも１つの第２の出口に入るように通過する、
ように配置される、再生熱交換器モジュールを提供する。
【００２２】
本発明のために、用語「第１の入口（first inlet）」は、少なくとも１つの第１の入口（複数の場合もある）の機能がチャンバー内への第１の流体ストリーム流入を可能にすることであるという意味で、「第１のストリーム入口（first stream inlet）」を意味すると理解され得る。同様に、用語「第１の出口（first outlet）」は、少なくとも１つの第１の出口（複数の場合もある）の機能が、第１の流体ストリームがチャンバーから出ることを可能にすることであるという意味で、「第１のストリーム出口（first stream outlet）」を意味すると理解され得る。同様に、用語「第２の入口（second inlet）」は、少なくとも１つの第２の入口（複数の場合もある）の機能がチャンバー内への第２の流体ストリーム流入を可能にすることであるという意味で、「第２のストリーム入口（second stream inlet）」を意味すると理解され得る。同様に、用語「第２の出口（second outlet）」は、少なくとも１つの第１の出口（複数の場合もある）の機能が、第２の流体ストリームがチャンバーから出ることを可能にすることであるという意味で、「第２のストリーム出口（second stream outlet）」を意味すると理解され得る。
【００２３】
任意選択で、少なくとも１つの第１の入口及び少なくとも１つの第１の出口は、互いに円周方向に対向し、少なくとも１つの第２の入口及び少なくとも１つの第２の出口は、互いに円周方向に対向する。
【００２４】
任意選択で、第１の流体ストリームの少なくとも一部が第１の回転位置において少なくとも１つの第１の出口からそこに入る流体流通路のうちの少なくとも１つは、第２の流体ストリームの少なくとも一部が第２の回転位置においてそこから第２の出口に入るように通過する少なくとも隣接する流路でもあり、第１の流体ストリームの少なくとも一部が第１の回転位置においてそこから少なくとも１つの第１の出口に入るように流れる少なくとも１つの隣接する流路は、第２の流体ストリームの少なくとも一部が第２の回転位置において流入する流体流通路のうちの少なくとも１つでもある。
【００２５】
任意選択で、回転可能本体はロータードラム内に収容され、ロータードラムは圧力容器内に収容され、それにより、ロータードラムは、回転可能本体とともに回転するように適合され、圧力容器は静止したままである。これが該当する場合、熱交換器は、任意選択で圧力容器及びロータードラム内に外部貫通部を更に備えることができ、外部貫通部は、第１の入口及び第１の出口でシールするために第１の回転位置に、また、第２の入口及び第２の出口でシールするために第２の回転位置に整列し、静止圧力容器及びロータードラム内の上記貫通部は流体透過性熱伝達媒体内で複数の流体流通路のうちの少なくとも１つにも整列する。
【００２６】
任意選択で、圧力容器及びロータードラムが使用される場合、静止圧力容器とロータードラムとの間に円形摺動界面が存在し、この円形摺動界面は、第１の回転位置において第２の流体ストリームの通過を遮断し、第２の回転位置において第１の流体ストリームの通過を遮断する密封係合を可能にする。
【００２７】
任意選択で、流体透過性熱伝達媒体は、ハニカムマトリクス構造、メッシュ又はともに積み重ねられたハニカムブロックとして配置される。
【００２８】
任意選択で、少なくとも１つの第１の入口、少なくとも１つの第１の出口、少なくとも１つの第２の入口、少なくとも１つの第２の出口、流体透過性熱伝達媒体、及び複数の流体流通路は、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にある。
【００２９】
代替的に、より複雑な配置構成を用いることができ、
ｉ）少なくとも１つの第１の入口及び少なくとも１つの第１の出口は、回転軸に垂直な平面に対して互いに同一平面上になく、
ｉｉ）少なくとも１つの第２の入口及び少なくとも１つの第２の出口は、回転軸に垂直な平面に対して互いに同一平面上になく、
ｉｉｉ）複数の流体流通路は、回転軸に沿って分配され、それにより、少なくとも１つの流体流通路は、少なくとも１つの第１の入口、少なくとも１つの第１の出口、少なくとも１つの第２の入口、及び少なくとも１つの第２の出口のそれぞれを有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にあり、
ｉｖ）流体透過性熱伝達媒体は、回転軸に沿って分配され、それにより、第１の回転位置において、第１の流体ストリームの少なくとも一部は、少なくとも１つの第１の入口を有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の流体流通路から、流体透過性熱伝達媒体を通して、少なくとも１つの第１の出口を有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の少なくとも１つの隣接する流体流通路に入るように通過し、第２の回転位置において、第２の流体ストリームの少なくとも一部は、少なくとも１つの第２の入口を有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の流体流通路から、流体透過性熱伝達媒体を通して、少なくとも１つの第２の出口を有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上の少なくとも１つの隣接する流体流通路に入るように通過する。
【００３０】
このより複雑な配置構成が使用される場合、任意選択で少なくとも１つの第１の入口は、少なくとも１つの第２の出口を有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にあり、少なくとも１つの第２の入口は、少なくとも１つの第１の出口を有する、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にある。
【００３１】
任意選択で、第１の流体ストリームは第２の流体ストリームより高い圧力を有し、第２の流体ストリームは、第１の流体ストリームより高い温度で熱交換器に入り、第１の流体ストリームは、第１の流体ストリームが入るときより高い温度で熱交換器を出て、第２の流体ストリームは、第２の流体ストリームが入るときより低い温度で熱交換器を出る。
【００３２】
別の態様において、本発明は、熱交換器の間での第１の流体ストリーム及び第２の流体ストリームの通過を可能にするために結合される、上述した少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体を提供する。
【００３３】
別の態様において、本発明は、タービンサイクルを実施するためのシステムであって、タービンと、燃焼器と、少なくとも１つの再生熱交換器又は上述した複数の再生熱交換器の組み立て体を備える、システムを提供する。タービンは、セラミック材料を主に含むアウトランナータービンとすることができる。燃焼器は、無炎燃焼器であって、長手方向に延在する燃焼チャンバーであって、この燃焼チャンバーを通して、酸化剤が入口から出口まで長手方向に流れる、燃焼チャンバーと、少なくとも１つの燃料ラインとを備え、燃料ラインと流体連通状態にある少なくとも１つの燃料注入パイプラインは燃焼チャンバーの壁を貫通して延在し、各燃料注入パイプラインは、燃料を燃焼チャンバー内に注入するための少なくとも１つの燃料注入器を含む、無炎燃焼器とすることができる。
【００３４】
別の態様において、本発明は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つの再生熱交換器、請求項１２に記載の少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体、又は請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステムを備える自動車又は自動車用エンジンを提供する。
【００３５】
別の態様において、本発明は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つの再生熱交換器、請求項１２に記載の少なくとも２つの再生熱交換器の組み立て体、又は請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステムを備える静的発電機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるモジュール式リジェネレーターのモジュールを示す図である。
【図２】図１のモジュールの平面Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】図２のモジュールの平面Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図４】図３からのボックス断面Ｃの詳細図である。
【図５】本発明によるモジュール式リジェネレーターからのドラムを示す図である。
【図６】図５のドラムの平面Ｆ−Ｆにおける断面図である。
【図７】図１のモジュールと同一モジュールとの間の接続を詳細に示す図である。
【図８】図１による協働した一連の５つのモジュールを示す図である。
【図９】直列に接続された、図１と同様の一連の５つのモジュール式リジェネレーターについてのドラム回転角度に対する、相対する角度位相（subtended angle phase）のチャートである。
【図１０】サイクルの冷却部分及び加熱部分における、図１と同様のモジュール式リジェネレーターの流体の流れを示す図である。
【図１１】ほとんど全てのコンポーネントが回転軸に垂直な平面に対して互いに同一平面上にある、本発明の大幅に簡略化されたバージョンを示す図である。
【図１２】本発明による回転レキュペレーターがタービンサイクルに組み込まれるプロセスを受けるシステムを示す図である。
【図１３】図１２と同様であるが、熱回収用排気による任意選択の燃料熱交換器も備えるシステムを示す図である。
【図１４】図１２と同様であるが、任意選択の燃料圧縮機を備えるシステムを示す図である。
【図１５】図１２と同様であるが、起動のために任意選択の高圧バーナーを備えるシステムを示す図である。
【図１６】図１２と同様であるが、圧縮機を多段中間冷却シャフト駆動式圧縮機と置換するシステムを示す図である。
【図１７】図１２と同様であるが、液体燃料とともに使用するための任意選択の燃料気化器を備えるシステムを示す図である。
【図１８】図１２と同様であるが、圧縮機を非シャフト駆動式圧縮機と置換するシステムを示す図である。
【図１９】図１２と同様であるが、起動のために任意選択の追加モーターを備えるシステムを示す図である。
【図２０】図１２と同様であるが、起動のために任意選択の電気空気加熱器を備えるシステムを示す図である。
【図２１】図１２と同様であるが、起動のために任意選択のカスケードバーナーシステムを備えるシステムを示す図である。
【図２２】図１２と同様であるが、起動のために任意選択の補助バーナーを備えるシステムを示す図である。
【図２３】図１２と同様であるが、起動のために任意選択の補助圧縮機を備えるシステムを示す図である。
【図２４】図１２と同様であるが、更なる熱回収のために任意選択の排気熱交換器を備えるシステムを示す図である。
【図２５】考えられる静的発電プロセス（static electricity generation process）の例に基づく、図１２のシステムに対する多数の付加物を組み込む一般的なシステムを示す図である。
【図２６】考えられる自動車航続距離エクステンダー（automotive range extender）用途の例に基づく、図１２のシステムに対する多数の付加物を組み込む一般的なシステムを示す図である。
【図２７】図２５に示す静的発電システムのための一般的な起動プロシージャを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は、回転コンポーネントを有する熱交換器である。単純な幾何形状によって本発明に到達することができ、その単純な幾何形状において、入口及び出口並びに流体透過性熱伝達媒体は全て、回転軸に垂直な平面に対して同一平面上にあり、回転可能本体１６０が回転する際、流体透過性熱伝達媒体は、最初に第１の入口１１０及び第１の出口１１６に、その後、第２の入口１１２及び第２の出口１１４にさらされ、それにより、流体は、流体透過性熱伝達媒体１２２を通して、第１の入口から第１の出口に、その後、第２の入口から第２の出口に交互に流れる。
【００３８】
図１には、より複雑な配置構成が示される。図１は、適した圧力容器又はモジュール内に収容されたセラミックハニカム等の適した高温材料又は熱媒体から作られた少なくとも１つの熱ホイールユニットを備える高温回転再生式熱交換器を示す。
【００３９】
ハニカム熱媒体ホイールの前面に対するシールの古典的問題は、チャンバー（熱ホイールを収容する）に対する熱流体及び冷流体の半径方向流入及び流出を使用することによって本発明において回避される。流体流は、熱ホイールの回転軸に垂直な方向にチャンバーに入り、チャンバーを去る。これは、流れが、回転軸に平行に、熱媒体の開放面に垂直に入る従来技術と異なる。本発明は、異なる圧力を有する場合がある２つのストリーム、すなわち熱いストリームと冷たいストリームとの間で非常に効果的な熱交換を可能にする。
【００４０】
図１は、単一モジュールを示し、その単一モジュールから少なくとも１つが構築され、その単一モジュールの外部は、閉鎖式シリンダー等の静止圧力容器である。各静止圧力容器内に、回転することができ、少なくとも１つの熱ホイールを収容する、好ましくはステンレス鋼の内部回転ドラムがある。複数のモジュールは、後で十分に示すように、直列に接続することができる。
【００４１】
好ましくは、熱媒体を通る（すなわち、ハニカムマトリクスのチャネルに沿う又はメッシュを通る）流路は回転ドラムの回転軸に整列する。ロータードラムは、適したドライブシステムによって、低速で、通常約１０ｒｐｍ以下で回転することができる。
【００４２】
モジュールが直列に接続される事例において、シャフトの回転速度は、各モジュールに特有とするか又は回転リジェネレーター内の全てのモジュールの間で一貫性があるものとすることができる。回転速度の増加は、実際の熱伝達対最大可能熱伝達の比として規定される熱交換効率（ηｅｆｆ）の増加をもたらすことになる。しかしながら、回転速度の増加は、キャリーオーバー損失の増加ももたらし、キャリーオーバー損失の増加は、高圧冷ストリームを圧縮するために必要とされる寄生負荷の増加になる。したがって、各用途について、流量、許容可能なキャリーオーバー損失、所望の効率（ηｅｆｆ）、使用されるモジュールの数、モジュールのサイズ、及び圧力差を含むが、それに限定されない異なるプロセス変数に応じて、最適回転速度が存在することになる。最適回転速度は、用途特有のプロセス変数に関連するオペレーターの所望の出力に依存し、それにより、効率（ηｅｆｆ）とキャリーオーバー損失との間のトレードオフが、その特定の用途のために所望される。
【００４３】
例えば、典型的なガスタービンサイクルにおいて、キャリーオーバー損失と効率（ηｅｆｆ）との間のトレードオフは、全ての他の変数が一定に保たれると仮定すると、回転速度に対するサイクルの熱効率曲線において現れることになる。曲線の形状は、サイクル内の他のコンポーネント、及び、リジェネレーターのキャリーオーバー損失及び効率（ηｅｆｆ）が特定のサイクルにどのように影響を及ぼすかに依存する。オペレーターがガスタービンサイクルの熱効率を最大にしたいと思う場合、リジェネレーターの最適回転速度は、曲線のピークにあることになる。それは、冷入力ストリームの温度出力が最大にされる必要がある又はキャリーオーバー損失が（効率を犠牲にして）最小にされる必要がある一部のガスタービンサイクル又は他の用途において望ましくなり得る。したがって、最適回転速度は、サイクルの最大熱効率に対応しない場合がある。
【００４４】
熱ストリーム及び冷ストリームは、容器内の外部貫通部（external penetrations）を介して各モジュール内に及び各モジュールの外部から外に導かれる。貫通部又はリビール（reveals）はロータードラム内に作られ、それにより、或る特定の角度位置において、静止外部貫通部は回転する内側貫通部に整列し、それにより、好ましくはステンレス鋼から作られ、必要である場合、絶縁体でライニングされる、流体流のためのダクトを通して、各ロータードラム内への１つのストリームの半径方向流入及び各ロータードラムからの流出をそれぞれ可能にする。ダクトは、当業者に知られている任意の方法で作製又は鋳造又は製造することができる。任意の所与の時間に、モジュールは、熱ストリームの入口と出口との間での又は冷ストリームの入口と出口との間での流れを可能にするか、又は、いずれも可能にしないことになる。好ましくは、容器及びドラム内のリビールは、セラミックハニカムブロックの両側に又はその間に形成される通路に整列するために離間することができる。好ましくは、リビールは、半径方向に対向して配置され、それにより、各熱ストリーム又は冷ストリームはそれぞれ、最大１８０度の回転のための開放流路を有する。リビールの円周方向位置決めは、本発明の範囲内で変動することができる各サイクルについての回転量を左右することになる。
【００４５】
円形摺動界面が、外部静止圧力容器の内部及びロータードラムの外部上に存在し、この界面は、それにより、他のストリームからの流れを可能にしながら、１つのストリームからの流れを遮断するシールを形成する。
【００４６】
好ましくは、ハニカム媒体を使用する場合、チャネルは断面が正方形であることになり、それは、壁が一定厚さを有することを可能にする。円形穴等の他の形状の穴も、本発明の範囲内で機能するが、これは相対的に好ましくない。なぜならば、壁が、概して、可変の厚さを有し、熱の侵入を低減し、熱応力を生成するからである。典型的には、ハニカム穴は、幅が約０．５ｍｍ〜２ｍｍであることになる。ハニカムのサイズ及び断面形状は、用途に依存し、正方形断面又は特定の幅若しくは高さに限定されない。
【００４７】
熱媒体は、熱い流れ及び冷たい流れの温度及び圧力について、適した熱容量、熱伝導率、熱膨張、熱衝撃特性、及び温度抵抗を有する任意の材料から構築することができる。適した材料は、コーディエライト（cordierite)、ムライト（mullite）、アルミナ、ケイ酸カルシウム、炭化ケイ素、及び窒化ケイ素の材料ファミリーを含むことができるが、これらに限定されない。
【００４８】
好ましくは、ロータードラムが、２つの蒸気（steams）に整列する状態の中間にあるとき、両方のストリームに対して一度に開放していることを回避するために、いずれも開放せず、シールを形成するのに十分な角度間隔が存在する、相対する小さい角度（small subtended angle）が存在する。こうして、ストリームが１８０度未満のドラム回転角度について開放するようにリビールをサイズ決定することができる。
【００４９】
好ましくは、複数のモジュールは、熱ストリーム及び冷ストリームが、リジェネレーターを通る流路を常に有し、したがって、決して遮断されないことを保証するために使用される。各モジュールは、順次位相制御することができ、それにより、熱ストリーム及び冷ストリームはともに、開放流路を有する少なくとも１つのモジュールを常に有するが、それぞれは、いずれかのストリームのためにリビール間に位置決めされると、密封を形成する。順次位相制御（sequential phasing）は、リビール位置決め並びにロータードラム及び外部ドラム貫通部のサイズ決定を通して、又は、各モジュール内のロータードラムの回転位置を通して行うことができる。例えば、１つの熱ホイールユニットのロータードラムに接続されるシャフトは、別個のモジュール内の他の熱ホイールユニットに接続することもでき、したがって、回転リジェネレーター内で全ての熱ホイールユニットの同時回転を可能にする。
【００５０】
リジェネレーターが複数のモジュールからなる場合、各モジュールは、当業者によく知られている適したパイプによって接続され、それにより、モジュール性は、故障の場合にモジュールの置換を支援する。好ましくは、ベローズ又は他の拡張ジョイントが、異なるモジュール間を接続するパイプの間の熱膨張を可能にするために使用される。
【００５１】
好ましくは、スタブアクスルシャフトを、モジュールの列に沿って駆動トルクを伝えるために各ユニットの両端に取り付けることができる。
【００５２】
好ましくは、スタブアクスルは、モジュールの重量を適したフレームに戻すために、適した軸受け上に載ることができる。そうでなければ、ユニットは、任意選択で負荷経路を変更する高さ調整機構を使用して、外部容器又は両方の組み合わせ体上で支持することができる。
【００５３】
任意選択で、本発明は、例示的なバッチタイプ用途のために、連続でもなく同時でもない熱ストリーム流及び冷ストリーム流に関して働くように解釈される可能性があり、その場合、単一モジュールでも十分である可能性がある。（単一モジュールは、本質的にバッチリジェネレーターであるが、複数のモジュールが直列にリンクされる場合、それにより、連続運転を使用可能にすることができる。）流れが、特定の用途において連続又は同時である場合、単一モジュールは、リジェネレーターから下流の背圧及び流量調整（modulating flow）が対処され得る場合に利用され得る。流れが連続又は同時であるほとんどの用途、例えば、典型的なガスタービンサイクルにおいて、任意の背圧又は流量調整を回避するために、複数のモジュールを有するリジェネレーターを設置することが有利である。モジュールの数及びリビールの位相制御は、限定はしないが、流量及び圧力、モジュールの体積、リビールの幾何的配置、製造コスト、リジェネレーター効率（ηｅｆｆ）、モジュール内の特有の流路、並びに、流量調整及び背圧を扱う能力を含む、用途の該当する特徴に基づいて選択されるであろう。複数のモジュールは、１つのモジュールの故障がリジェネレーター全体のメンテナンスのためのダウンタイムをもたらさない潜在的な冗長性の統合を可能にするという利点も有する。
【００５４】
任意選択で、複数モジュールリジェネレーターは、内部分割壁によって単一モジュールユニットに統合されることができる。
【００５５】
任意選択で、外部圧力容器がロータードラムに対して摺動するのではなく、より安価に置換され得る内部摩耗プレートを、外部圧力容器の内部に取り付けることができる。これは、摩耗プレートが、流れを妨げないように外部圧力容器のリビールに整合するリビールを有し、静止して保持され得ることを要求する。任意選択で、付加的に又は代替法として、同じ理由でドラムとともに回転するように取り付けられる更なる摩耗プレートを付加することができる。
【００５６】
任意選択で、上記摩耗プレートは、その摺動界面上に適した潤滑剤をコーティングすることができる。高温固体潤滑剤の一例は六方晶窒化ホウ素である。オイルベース潤滑剤等の液体潤滑剤は、普通ならセラミック熱媒体によって使用可能にされる温度で燃え尽きる場合があるが、システムの利益がある場合すなわち他の液体によって、このオイルの消費を軽減することが可能である場合がある。そのため、摺動界面において固体又は液体潤滑剤を使用することは、本発明を逸脱しない。
【００５７】
任意選択で、静止摩耗プレートを、軟質絶縁体の層によって外部容器から分離することができる。これは、容器を高温から保護するために働くだけでなく、摩耗プレート上で均等に締め付け負荷（clamping load）を拡散させ、より均等なシールを作成するのに役立つ。
【００５８】
任意選択で、熱媒体ブロックは、各ブロック上の流れに開放する面が近傍ブロックの面に接触しないように単一ホイール層内にともに積み重ねられ得る立方体形状であってもよい。
【００５９】
任意選択で、立方体ブロックではなく、熱ホイールは、上記基準を満たす任意の他の３次元形状を使用することができる。例えば、円形のセグメント形状も、本発明の範囲内である。
【００６０】
ブロック層は、その閉鎖した外側平坦面上で、ピーク温度からロータードラムをシールドする絶縁体層によってカプセル化することができる。ドラム内の絶縁体層のタイプ及び数は、ロータードラム及び容器の形状、金属ドラム及び外部容器の材料選択に必要な所与の温度範囲、並びに特定の幾何形状の任意の構造的要件に基づいて選択されることになる。絶縁体のために使用される材料は、セラミック微細多孔質（ceramic micro-porous）、キャスタブル耐火物（castable refractory）、構造的ケイ酸カルシウム、フェルト絶縁体、及びセラミックファイバー製品とすることができるが、それに限定されない。
【００６１】
任意選択で、流路に隣接する任意の絶縁体は、高速ガスによって引き起こされるエロージョン（erosion）から保護するためにフローライナーによって保護することができる。好ましくは、これらのライナーは、ステンレス鋼を使用することになり、また、折り畳まれた薄いシートから簡単に形成される。これらのフローライナーは犠牲的とすることができる。代替的に、絶縁体は、ガスエロージョンに耐性がありかつライナーなしで使用されるか又は適したコーティングを有するように選択される可能性がある。
【００６２】
好ましくは、外部容器は、長手方向フランジにおいて両側でともに締め付ける上部半分及び下部半分から構築される。これは、回転界面と静止界面との間にシールを生成する予荷重を生成する。
【００６３】
本明細書で述べる半径方向流入及び流出を有することは、設計を従来技術よりコンパクトにすることを可能にする。これは、熱媒体を熱ホイール内で複数の内部壁内に積み重ねることができ、流れが、開放通路内でホイール間に入り、９０度転回し、熱媒体を通過し、９０度転回し、そして開放通路から流出することを可能にするオフセットだけ各内部壁が分離されるからである。従来技術の熱ホイールは、全ての流れが回転軸に平行に（すなわち、熱媒体の開放面に垂直に）同じ方向にユニットに入り、全ての熱媒体が幾つかの平行平面ではなく単一平面内に配置されることを要求することを必要とする。本発明は、同じ量の熱媒体を仮定すると、入口及び出口ダクトの断面サイズを大幅に低減し、システムをよりコンパクトにし、熱損失を低減し、そして、システムを構築するのをより強固にかつ安価にする。
【００６４】
本発明の場合、キャリーオーバーされる流体の体積（キャリーオーバー損失に関する）は、熱媒体とシール面までの間の、上述したオフセットから形成される、ローターの内部の開放空間も含む。そのため、原理上、キャリーオーバー損失は、従来の熱ホイール設計の場合と比べてわずかに高い。しかしながら、損失は、スケーラビリティ、設計のコンパクトさ、シール、及び信頼性等の改善点によって軽減される。
【００６５】
任意選択で、隣接モジュールは、キャリーオーバー損失を低減するために、その高圧サイクルを完了したモジュール（例えば、低温にある）が、圧力が均一になるまで、その加圧空気のバッチを対応する低圧ユニット（例えば、低温高圧ストリームに対するその導入前に高温である）内に放出し、それにより、内部圧力の一部を再生利用することができるように接続することができる。このシステムは、複雑さを増加させるが、圧力の更に多くの部分を交換し再生利用するために、ユニット又は別個の貯蔵容器のシーケンスに入るように加圧空気を再生利用するために拡張することができる。
【００６６】
任意選択で、キャリーオーバー損失は、代わりに、吸収された電力を使用して、周囲圧力の新鮮な空気を用いて低圧モジュールを加圧するターボチャージャー又はウェーブローターを通して高圧ストリームを放出することによって再生利用される可能性がある。
【００６７】
流れが半径方向に（すなわち、回転軸に垂直に）モジュールに入る原理は、本発明の範囲から逸脱することなく幾つかの方法で実現される場合があり、幾つかの方法は、例えば、熱媒体に向かって半径方向に通過するために、外ではなくモジュールの内部で、９０度転回する前に、回転軸に平行に整列した摺動界面を有することを含む。
【００６８】
本明細書で述べる発明は、高温材料ハニカムシールの除去によって、高温再生のコスト、複雑さ、及び効率（ηｅｆｆ）も低減する。熱媒体と対照的に、外部静止容器も、ロータードラムも、高温材料から形成される必要はなく、代わりに、或る等級の鋼等の、異なるより強固なエンジニアリング材料を使用することができる。そのため、シール、場合によっては、ハニカム高温熱媒体に関連する問題が回避される。例えば、ハニカム面上の薄壁が摺動シールによって崩れるという問題又は複雑化した配備可能シール界面の問題は、摺動界面を、例えばより強固でかつ固体の平坦鋼面内で設計するというより単純な問題に置換される。
【００６９】
本発明の例は図に示される。示す特定の例は、ガスタービンサイクルの一部として使用するために意図される。本発明は、回転軸に垂直な流体流が、高温における差圧及び／又は高温の差の２つのストリーム間の熱交換を可能にすることを可能にする。好ましい条件下で、流体流の方向によって、キャリーオーバー損失が最小化された状態でリジェネレーター全体を通る高圧流体及び低圧流体の連続する流れが存在する。本明細書の説明は、低圧高温入口ストリームと高圧低温入口ストリームとの間の熱交換に基づくが、同等の圧力のストリームを含む、温度及び圧力の任意の組み合わせが本発明によって達成可能である。
【００７０】
本発明において、回転リジェネレーターは、図１に示す少なくとも１つのモジュール４２を収容する。熱ホイールユニット４２の回転部分は、金属ドラム２４の両側に接続されたスタブシャフト３８を介して軸に対して回転する（図３に示す）。金属ドラム２４の内部には、異なる幾何形状の絶縁体層１８、２８、３０、３４、及び５２並びにダクトフローライナー３６によって囲まれた立方体セラミックハニカム２０がある（図２、図３及び図４に示す）。立方体セラミックは、小さいハニカムセクション２２の積み重ね体によって配置され、（図６に示すように）ハニカムチャネルの方向に垂直な開放通路４４を有する。通路４４は、立方体セラミックハニカム２０と入口ダクト１０、１４及び出口ダクト１２、１６との間の流体連通を可能にする金属ドラム２４内の開口すなわちリビール４６に整列する。
【００７１】
ダクトフローライナー３６は、ガス速度の悪影響から絶縁体層１８を保護する。絶縁体層及びダクトフローライナー３６は、熱い入口ダクト１４及び出口ダクト１６まで延在する。摩耗プレート２６は、回転する金属ドラム２４の円周全体を囲み、外側ケース又はダクトクランプ３２によって所定の場所に保持される。絶縁体層２８は、摩耗プレート２６を囲み、ダクトクランプ３２に対する熱伝達の程度を減少させる。適した高温潤滑剤、本発明において六方晶窒化ホウ素は、摩耗プレート２６の面に接触する金属ドラム２４をコーティングする。
【００７２】
回転軸に平行に、高圧入力流体用の接続パイプ２ａ、高圧出力流体用の接続パイプ２ｂ、低圧入力流体用の接続パイプ２ｃ、及び低圧出力流体用の接続パイプ２ｄがある。回転軸に垂直な入口ダクト１０、１４及び出口ダクト１２、１６は、接続パイプ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと金属ドラム２４との間の流体連通を入口ダクト１０、１４及び出口ダクト１２、１６を通して可能にし、それにより、入口ダクト１０、１４及び出口ダクト１２、１６は接続パイプ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ円周からドラム２４円周に向かって相対する。
【００７３】
金属ドラム２４は、セラミックハニカム２０と入口ダクト１０、１４及び出口ダクト１２、１６との間の、本実施形態における流体連通を可能にするために、回転軸に沿って長手方向に離間した、円周の一部分に対してサイズ決定されたリビール４６を有する。リビール４６は、関連するダクト、及び立方体ハニカム２０内の開放通路４４に正しく整列するために、互いに対応して半径方向に離間しかつ金属ドラム２４に沿って長手方向に交互に配置される。リビール４６は、立方体ハニカム２０の１つの側面にまたがるように円周方向にサイズ決定され、流体の流量に基づいて長手方向にサイズ決定される。
【００７４】
再生ユニットは、転回する際、加熱期間及び冷却期間を通して循環する。加熱期間中、熱流体リビール４６は、セラミックハニカム２０と熱低圧入口ダクト１４との間の流体連通を可能にする。熱低圧流体は、通路４４を通り、回転軸に平行なハニカムチャネルに入り、積み重ね式のより小さい立方体ハニカム２２の他の側の通路４４を通って、その後、金属ドラム２４から出ていく。
【００７５】
こうして、低圧流体は、ハニカム積み重ね体２２内のチャネルを充填し、熱エネルギーをハニカム積み重ね体２２に伝達する。同時に、冷流体リビールは、低圧出口ダクト１２とセラミックハニカム立方体２０との間の流体連通を可能にする。したがって、リビール４６は、低圧入口ダクト１４、立方体ハニカム２０、及び低圧出口ダクト１２の間の流体連通を加熱期間が可能にするように位置決めされる。低圧熱流体は、入口ダクト１４からセラミックハニカムチャネルを通して流れ、熱エネルギーを、流体が冷流体として出る低圧出口ダクト１２に伝達し、温度を下げる。
【００７６】
冷却期間中、リビール４６は、高圧流体入口ダクト１０及び高圧出口ダクト１６に整列し、したがって、高圧入口ダクト１０、セラミックハニカム２０、及び高圧出口ダクト１６の間の流体連通を可能にする。高圧流体は、熱サイクルと比べてハニカムチャネルを通る向流方向に高圧入口ダクト１０からリビール４６を通りセラミックハニカム２０まで流れる。流体は、セラミックハニカム積み重ね体２２から熱エネルギーを取り出すことによって温度が上がり、リビール４６を通して高圧出口ダクト１６に流出する。
【００７７】
ユニットは、サイクルを連続して反復し、したがって、セラミックハニカム積み重ね体２２を熱流体で加熱し、熱流体を冷流体で冷却し、熱流体から冷流体に周期的にエネルギーを伝達する。回転速度は、熱サイクルから冷サイクルへの切り替え中に起こるシステムにおける圧力損失又はキャリーオーバー損失を最小にしながら、熱交換を最大にするようにつり合いがとられる（約１ｒｐｍ〜１０ｒｐｍ）。熱サイクル後にハニカムチャネル内に残るいずれの低圧流体も、冷サイクル中にハニカムチャネルに入る高圧冷流体の圧力全体を減少させるであろう。
【００７８】
本発明の単一モジュール４２は、単独で使用することができる、又は、有利には、更なるモジュール４２に接続することができる。例えば、図８に示す本発明の１つの好ましい実施形態は、５つの回転ホイールユニット４２を収容する。図７は、図１に示すタイプの２つのモジュールの間の接続ポイント（及び回転力を提供するモーター５４）を詳細に示す。各ユニットは、ベローズ４０を通して接続パイプ２を介して接続され、スタブシャフト３８はカップリング５０を通して接続される。この配置構成を通して、全てのユニットの回転を単一モーターによって駆動することができる。各ユニットの熱及び冷周期サイクルは、低圧ストリーム及び高圧ストリームがリジェネレーターの少なくとも１つのモジュールを通る経路を常に有するように、また、低圧ストリーム及び高圧ストリームに開放する回転リビール４６の断面積が一定又はほぼ一定であるようにタイミングをとられる。これは、有利には、流量が一定又はほぼ一定であり、普通なら増大することになる背圧をなくす又は大幅に低減することを意味する。図９は、本発明の繰り返し周期（cycle periods）を示す。ｙ軸上で、「１」は、低圧ダクト１２、１４及びリビール４６に関する相対する最大角度を示し、「−１」は、高圧ダクト１０、１６及びリビール４６に関する相対する最大角度を示す、又は、その逆も同様である。ｘ軸は、回転角度（度）を示す。
【００７９】
金属ドラム内のリビール及びリビール４６は、入口ダクト１０、１４及び出口ダクト１２、１６及び接続パイプ２と同様に、その特定のユニットについての体積流量に応じてサイズ決定される。
【００８０】
本事例では、一定又はほぼ一定の流れの通過率（flow through rate）を保証するために必要とされるモジュールの最適数が５つであるが、本発明の他の実施形態では、リビールの幾何形状等の特徴に応じて、より多い又はより少ないモジュールが必要とされる場合があることが当業者によって認識されるであろう。
【００８１】
本明細書で述べる回転リジェネレーターは、単に低圧流体から高圧流体に（又は、その逆も同様である）ではなく、２つの高圧流体又は２つの低圧流体から温度を伝達することが可能である。本発明が同じ圧力の２つのストリーム間で熱エネルギーを伝達することを可能にするために、体積変化を考慮するための操作を除いて、大幅な変更は全く必要とされない。したがって、回転リジェネレーターは、低圧入口ストリームを高圧に増加させるために、ウェーブローター、ターボ圧縮機、又は当業者によく知られている任意のタイプの圧縮機が先行することができる。これは、キャリーオーバー損失を低減する利点を有する。
【００８２】
回転リジェネレーターを組み込むタービンサイクルシステム
本発明による回転リジェネレーターの１つの使用は、再生タービンサイクルの一部とすることができる。
【００８３】
例えば、開放ブレイトンタイプの極端に単純なタービンサイクルシステムは、上述した回転リジェネレーター、燃焼器、及びタービンを組み込むことができる。リジェネレーターは、タービンを出る高温流体を受け入れ、この流体と、同様にリジェネレーターに入力される低温高圧流体との間の熱交換を実施するために配置することができる。結果として得られる高圧の昇温した流体は、その後、好ましくは、燃焼器が備える燃料の自動点火温度より高い昇温で燃焼器に入ることができ、燃焼器が、高圧でかつ更に高温の流体を出力することをもたらす。この流体は、その後、流体から仕事(work)を取り出すことになるタービンに入り、タービンからの排気は、リジェネレーターのサイクルに再び入ることができる。
【００８４】
任意選択の配置構成は、入口空気用の圧縮機、タービン排気から圧縮空気に熱を伝達する本明細書で述べる回転リジェネレーター、圧縮空気の温度を所望のタービン入口条件まで上げる燃焼器、及び高温圧縮空気から仕事を取り出すタービンを含むことができる。本明細書で述べる回転リジェネレーターは、タービンを出る高温流体を受け入れ、この流体を、圧縮機を出る低温流体と交換することができる。低温流体は、ここで高温のリジェネレーターを去ると、燃料の自動点火温度より高い温度で高温燃焼器に入ることができる。したがって、燃焼器は、高温入口空気を扱うことが可能な低排出燃焼器である必要があることになる。タービンは、燃焼器から高温空気を受け入れることになり、したがって、高温入口空気を扱うのに適した材料から構築されなければならないことになり、そのようなタービンは、材料仕様に基づいて比較的低い回転速度を必要とする場合がある。入口空気用の圧縮機は、タービンによってシャフト駆動されることが可能な高効率圧縮機である可能性があり、したがって、低回転速度で空気を圧縮することが可能であることになる。本明細書で述べる回転リジェネレーターを含むそのようなサイクルは、他のマイクロタービンサイクルと比べて高効率が可能である。
【００８５】
特に好ましい実施形態において、本発明は、上述した回転リジェネレーター等の高温熱回収デバイスを使用して作動流体が圧縮され加熱される開放ブレイトンガスタービンサイクルシステムを開示する。圧縮された作動流体の温度は、選好の燃料の自動点火温度より高くなるように適度に高い。この高温高圧作動流体は、高温酸化剤を受け取り、複数の燃料とともに作動することが可能な超低（３ｐｐｍ未満）ＮＯＸ排出無炎燃焼器内の酸化剤として使用される。燃料の燃焼によって更に昇温した燃焼作動流体は、その後、高温タービンに送出され、高温タービンは、低圧排気が回転レキュペレーター内で使用される前に流体から仕事を取り出して、入ってくる高圧作動流体を加熱する。仕事を、ギアボックス及び発電機によって電力に変換することができる。高温リジェネレーターがエキスパンダー排気から熱を回収するため、システムの空気−燃料比は比較的高い（典型的には、質量で１：２０より大きい）。これは、熱回収が比較的高く、したがって、熱入力のわずかな量が、熱入力をタービン入口温度まで上げるために燃焼段のプロセス内に必要とされるからである。
【００８６】
好ましい実施形態において、本発明による回転リジェネレーターを使用するこれらのラインに沿って、好ましいタイプの無炎燃焼器及び好ましいタイプの高温タービンは、以下の方法でこれらのコンポーネントを互いに可能にする：
・好ましいタイプの高温タービンは、十分に高い温度でかつ低い圧力比で運転し、それにより、排気は、入力燃料の自動点火温度より高い。回転リジェネレーターとともに働くとき、タービンの排気は高温低圧入力流体として使用することができ、リジェネレーターは、排気からの熱を高圧低温作動流体入力に伝達して、作動流体の温度を燃料の自動点火温度より十分に高く上げるために使用することができる。
・本発明による高効率（ηｅｆｆ）回転リジェネレーターは、システムの熱効率が高いこと、システムの最適圧力比が低いこと、及び燃焼器への入力温度が燃料の自動点火温度より高いことを保証する。（システムの最適圧力比はリジェネレーター効率（ηｅｆｆ）の関数であるため、高効率リジェネレーターは低い最適圧力比をもたらす。この場合、比は約３〜４とすることができる。）
・本発明による回転リジェネレーターは、高温を扱うことができ、異なる圧力の２つのストリーム間を効果的にシールすることができる。
・好ましいタイプの無炎燃焼器は、冷却流体なしで、高温入口酸化剤を扱うことができ、熱ＮＯＸ、ＣＯ、又は粒子状物質を形成することなく、燃料を燃焼させることができる。
・本発明による好ましいタイプの無炎燃焼器及び回転リジェネレーターはともに、システムの熱効率全体に影響を及ぼさないために十分に低い圧力降下を有する。
【００８７】
好ましいタイプのタービン：端的に言えば、好ましいタイプのタービンは、セラミック材料で主に構成されるアウトランナータービン（out-runner turbine）である。上述したブレイトンサイクルシステムで使用するのに適するそのようなタービンの網羅的な例は、英国特許出願第１８０４９１２．２号、同第１７０９３３９．４号、同第１７０２６４８．５号、及び同第１６１６２３９．８号、並びに国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号に提供される。これらの出願の全ての全体は引用することにより本明細書の一部をなし、それらの特許請求の範囲は、好ましいタイプのタービンの特に適する例を記載している。
【００８８】
例えば、好ましいタイプのタービンは、軸方向に配置された一連のローターセクションを備える軸流タービン（axial turbine）を備えるタービン組み立て体であって、各ローターセクションが外側リング及びローターブレードを備え、ローターセクションの外側リングが、回転する外側ケースを形成するために接続し、ローターセクションが反応結合窒化ケイ素（ＲＢＳＮ：reaction bonded silicon nitride）から作られる、タービン組み立て体、及び、軸流タービンのための構造的支持を提供する外部シースを備えるタービン組み立て体であって、シースが高密度窒化ケイ素（ＤＳＮ：dense silicon nitride）から作られ、ローターセクションが外部シースの内部に嵌合し、シース及び回転する外側ケースがともに回転するように配置される、タービン組み立て体とすることができる。
【００８９】
これが当てはまる場合、軸流タービンは、軸方向に配置された一連のステーターセクションを更に備えることができ、各ステーターセクションは内側ハブ及びステーターブレードを備え、ステーターセクションの内側ハブは静止シャフトを形成するために接続し、ステーターセクションは反応結合窒化ケイ素から作られる。（これが当てはまる場合、軸流タービンは、内側ハブに含まれる少なくとも１つのシュラウドを更に備えることができる。）軸流タービンは、外側リングに含まれる少なくとも１つのシュラウドを更に備えることができる。シースは、理論的密度の９６％を超える密度を有するＤＳＮから作ることができる。シースは、窒化ケイ素２８２又はガス圧焼結窒化ケイ素で作ることができる。
【００９０】
代替的に、好ましいタイプのタービンは、軸方向に配置された一連のローターセクションを備える軸流アウトランナータービンとすることができ、各ローターセクションは外側リング及びローターブレードを備え、ローターセクションの外側リングは、回転する外側ケースを形成するために接続し、ローターセクションは、ＲＢＳＮから作られ、また、タービンの最大シャフト速度で、半径方向セクションが１００ＭＰａ以下の応力を受けるように選択された半径方向サイズを有する。
【００９１】
代替的に、好ましいタイプのタービンは、軸方向に配置された一連のローターセクションを備える軸流アウトランナータービンとすることができ、各ローターセクションは外側リング及びローターブレードを備え、ローターセクションの外側リングは、回転する外側ケースを形成するために接続し、ローターセクションは、ＲＢＳＮ以外の窒化ケイ素（例えば、ガス圧焼結窒化ケイ素、焼結窒化ケイ素、又は再結晶化窒化ケイ素）から作られる。
【００９２】
代替的に、好ましいタイプのタービンは、軸方向に配置された一連のローターセクションを備える軸流アウトランナータービンとすることができ、各ローターセクションは外側リング及びローターブレードを備え、ローターセクションの外側リングは、回転する外側ケースを形成するために接続し、ローターセクションは、ＲＢＳＮ、焼結ＲＢＳＮ、又は反応結合炭化ケイ素から作られ、また、補強インサートを更に備える。（インサートは、高密度セラミック又は炭素繊維を含むことができる。）
【００９３】
代替的に、好ましいタイプのタービンは、軸方向に配置された一連のローターセクションを備える軸流アウトランナータービンとすることができ、各ローターセクションは外側リング及びローターブレードを備え、ローターセクションの外側リングは、回転する外側ケースを形成するために接続し、ローターセクションは、炭化ケイ素（例えば、焼結炭化ケイ素、窒化物結合炭化ケイ素、再結晶化炭化ケイ素、ケイ素−炭化ケイ素（silicon-silicon carbide）、又は反応結合炭化ケイ素）から作られる。
【００９４】
代替的に、好ましいタイプのタービンは、軸方向に配置された一連のローターセクションを備える軸流アウトランナータービンとすることができ、各ローターセクションは外側リング及びローターブレードを備え、ローターセクションの外側リングは、回転する外側ケースを形成するために接続し、ローターセクションは、ＲＢＳＮから作られ、ローターセクションは、外部シースの内部に嵌合し、シース及び回転する外側ケースは、ともに回転するように配置され、シースは、炭化ケイ素又は高密度窒化ケイ素以外の窒化ケイ素から作られる（例えば、シースは、ガス圧焼結窒化ケイ素、焼結窒化ケイ素、再結晶化窒化ケイ素、ＲＢＳＮ、又は焼結ＲＢＳＮから作られる場合がある）。
【００９５】
好ましくは、タービンはマイクロタービン（すなわち、約１ＭＷ未満の正味電力出力を有するタービン）であるであろう。高温で機能するために、金属コンポーネントを使用する従来のインランナータービン（in-runner turbine）及びアウトランナータービンはともに、高価なエキゾチック金属合金で構築される必要があり、また、制限された運転温度（約１１００℃未満、その温度は発電効率を制限する）に悩まされる、又はそうでなければ、その機械的強度を保持するために、ブレードを通して冷却用作動流体を吹き付ける複雑な毛管チャネルを必要とする。冷却用チャネルは、かなりの複雑さをタービンブレード設計及び製造に付加し、作動流体流を駆動する寄生圧縮機負荷を付加し、マイクロタービン（すなわち、約１ＭＷ未満の正味電力出力を有するガスタービン）において典型的な非常に薄くかつ小さいブレードに容易に嵌合することができない。したがって好ましくは、タービンは、適したセラミック又はセラミック複合材料から構築されるであろう。好ましくは、タービンは、高温を扱うことができかつ反応結合窒化ケイ素（ＲＢＳＮ）等のタービンブレード等の複雑な幾何形状になるよう機械加工することができるセラミック材料から構築されるであろう。任意選択で、セラミックタービンは、高密度シースなしのタービンより大きい機械的歪み（mechanical strain）を受け得るタービン組み立て体を形成するためにより高密度のセラミックシースを有するであろう。任意選択で、マイクロタービンのために使用されるセラミック材料は、炭化ケイ素、又は、タービンの成功裏の運転のための機械的歪み及び温度に適する別の材料である可能性がある。好ましくは、マイクロタービンは、比較的低い回転速度（約１０００００ｒｐｍと対照的に約２００００ｒｐｍ未満）で運転することが可能であるであろう。
【００９６】
好ましいタイプの燃焼器：端的に言えば、好ましいタイプの燃焼器は、英国特許出願第１８０５６８７．９号に記載されている無炎燃焼器であり、その出願は、その全体が、引用することにより本明細書の一部をなし、また、その出願の特許請求の範囲は、好ましいタイプの燃焼器の特定の例を記載する。
【００９７】
したがって、好ましいタイプの燃焼器は、無炎燃焼システムとすることができ、無炎燃焼システムは、長手方向に延在する燃焼チャンバーであって、燃焼チャンバーを通して、酸化剤が入口から出口まで長手方向に流れる、燃焼チャンバーと、少なくとも１つの燃料ラインとを備え、燃料ラインと流体連通状態にある少なくとも１つの燃料注入パイプラインは燃焼チャンバーの壁を貫通して延在し、各燃料注入パイプラインは、燃料を燃焼チャンバー内に注入するための少なくとも１つの燃料注入器を含む。
【００９８】
幾つかの例において、システムは少なくとも２つの燃料ラインを備え、それにより、少なくとも１つの燃料注入パイプラインのうちの少なくとも１つは、燃料注入パイプラインが第１の燃料ライン及び第２の燃料ラインの両方と流体連通状態にあるように、燃焼チャンバーの壁から燃焼チャンバーの内部を横切って燃焼チャンバーの対向する壁までかつ対向する壁を通って延在する。これが当てはまる場合、少なくとも１つの燃料ラインのそれぞれは、燃料ラインの長さに沿って燃料ラインから延在する複数の燃料入口パイプラインを備え、各燃料入口パイプラインは、燃料入口パイプラインの長さに沿って燃料入口パイプラインから延在する複数の燃料注入パイプラインを備えるものとすることができる。
【００９９】
幾つかの例において、少なくとも１つの燃料ラインのそれぞれは、燃料ラインと流体連通状態にある、燃料ラインから延在する少なくとも１つの燃料入口パイプラインを有し、少なくとも１つの燃料注入パイプラインのうちの少なくとも１つは、燃料注入パイプラインが燃料入口パイプラインと流体連通状態であるように燃料入口パイプラインから延在する。
【０１００】
幾つかの例において、少なくとも１つの燃料ラインは長手方向に燃焼チャンバーに実質的に平行に延在する。（これが当てはまる場合、少なくとも１つの燃料注入パイプラインは少なくとも１つの燃料ラインの方向に垂直な方向に延在するものとすることができる。これが当てはまる場合、少なくとも１つの燃料ラインのそれぞれは、燃料ラインと流体連通状態にある、燃料ラインから延在する少なくとも１つの燃料入口パイプラインを有し、少なくとも１つの燃料注入パイプラインのうちの少なくとも１つは、燃料注入パイプラインが燃料入口パイプラインと流体連通状態であるように少なくとも１つの燃料入口パイプラインのうちの少なくとも１つから延在し、燃料入口パイプラインは、少なくとも１つの燃料ラインの方向及び少なくとも１つの燃料注入パイプラインの方向に垂直な方向に延在するものとすることができる。これが当てはまる場合、少なくとも１つの燃料ラインのそれぞれは、燃料ラインの長さに沿って燃料ラインから延在する複数の燃料入口パイプラインを備え、各燃料入口パイプラインは、燃料入口パイプラインの長さに沿って燃料入口パイプラインから延在する複数の燃料注入パイプラインを備えるものとすることができる。）
【０１０１】
幾つかの代替法において、燃料注入器は穴又はノズルを備える。これが当てはまる場合、穴又はノズルは、運転条件下で穴又はノズルから吐出される燃料の速度を決定するために選択されたサイズを有するものとすることができる。
【０１０２】
幾つかの代替法において、燃料注入器は燃焼チャンバーの出口に向かって配向する。
【０１０３】
幾つかの代替法において、少なくとも１つの燃料ライン、少なくとも１つの燃料注入ライン、及び（存在する場合）少なくとも１つの燃料入口パイプラインの径は、運転条件下で、各注入ポイントに送出される燃料の圧力が同じになるように選択される。
【０１０４】
幾つかの代替法において、燃料注入器は燃焼チャンバー内で均等に分配される。
【０１０５】
好ましくは、無炎燃焼器は、燃焼システムに対する小さい変更のみによって異なる燃料を燃焼させることが可能な多燃料燃焼器（例えば、燃焼器内の複数の場所で燃料を注入することによって即座の混合を可能にする、適した燃料注入システムを有する燃焼器）であるであろう。
【０１０６】
好ましくは、無炎燃焼器は、燃焼器内の温度が、必要とされる典型的な熱ＮＯＸ形成温度より高い温度に達しないように設計されることになり、したがって、ＮＯＸ形成は、従来の無炎燃焼器と比べて非常に低い。例えば、十分な速度を有する燃料を注入する燃焼器は、分散反応ゾーン及び非火炎形成（no flame formation）を保証するために、高速酸化剤流を有する十分な速度の並流によって燃料を注入する。
【０１０７】
任意選択の特徴：任意選択で、燃料は、大気に排出される前に、回転リジェネレーターの低圧低温出力から多くのエネルギーを取り出す燃焼器内に注入する前に、当業者によく知られている熱交換器を通過するであろう。燃料と排気の質量流量との差異が大きいため、熱交換器は、高効率（ηｅｆｆ）を有するために新規な設計である必要はない。これは、サイクルの熱効率全体を上げるのに役立つことになる。
【０１０８】
任意選択で、燃料源に応じて、燃料は、燃焼器又は燃料熱交換器内に注入される前に、小さい燃料圧縮機を通過するであろう。
【０１０９】
任意選択で、ガスタービンサイクル内の燃焼器には、無炎燃焼器をオンする前に無炎燃焼器の入力が自動点火を超えることを保証するため、ちょうど正しい量の熱を提供するよう適度にサイズ決定された、システム起動用の典型的なガスバーナーが先行するであろう。このバーナーは、高圧入口酸化剤を扱うことができるであろう、また、バーナーは、通常運転中にバイパスされるであろう。任意選択で、バーナーは、プロセスで既に使用されている燃料及び酸化剤ではなく、外部酸化剤及び外部燃料源を供給されるであろう。任意選択で、起動のために、補助バーナーを使用することができ、補助バーナーの排気は、タービン排気とともに回転リジェネレーター内に送られて、高圧バーナーを必要とすることなく、起動を可能にする。しばしば、そのようなバーナーは、必要な圧力プロファイルを、回転リジェネレーターを通して提供するために排気側に誘引ファン（induced draft fan）を必要とするであろう。
【０１１０】
任意選択で、起動システムは、例えば、炭化ケイ素加熱要素を使用する電気予熱器を含むであろう。これは、回転リジェネレーターの圧縮流体出口に基づくであろう、また、無炎燃焼器をオンする前に温度が自動点火より大きいことを保証するため、無炎燃焼器に入る前に作動流体の温度を増加させることになる。
【０１１１】
任意選択で、起動燃焼システムは、少なくとも１つのより小さい無炎燃焼器及び少なくとも１つの小さいバーナーのカスケードシステムからなり、それにより、カスケードシステム内の第１のそして最も小さい燃焼器の入力温度が燃料の自動点火温度を超えることを保証するようにサイズ決定される必要があるだけであり、したがって、起動バーナーのサイズ及び複雑さを低減する。任意選択で、この起動バーナーは、空気を加熱する電気加熱器である可能性がある。
【０１１２】
任意選択で、ガスタービンサイクル内の燃焼器には、液体燃料を使用するとき、気化器が先行するであろう。これは、液体燃料を気化させ、霧化ノズルを注入システムに適合させる必要性を取り除くことになる。好ましくは、液体ポンプは、液体を必要な圧力まで上げるために燃料気化器に先行するであろう。
【０１１３】
本発明の回転リジェネレーターを使用することは、コンパクトな全体フットプリントについて（レキュペレーターと対照的に）高効率（ηｅｆｆ）を保証し、好ましくは、リジェネレーター、例えば本発明は、高効率（ηｅｆｆ）のためのコンパクト設計を可能にする幾何形状を有する回転リジェネレーターであるであろう。
【０１１４】
好ましくは、回転リジェネレーターは、高効率（ηｅｆｆ）のためのコンパクト設計を更に高めるために、回転軸に平行な流路と対照的に、回転軸に対する半径方向流れを有するであろう。
【０１１５】
好ましくは、回転リジェネレーターは、熱媒体としてセラミック材料を利用することになるため、高温ストリームを受け入れることができる。好ましくは、回転リジェネレーター、例えば、本発明は、セラミックシールに関連する問題が回避されるよう、シール面がセラミックと対照的に金属であるように設計されるであろう。
【０１１６】
好ましくは、回転リジェネレーターは、異なる流れ及び可変のプロセスのためにサイズを容易に増加させることができるようにモジュール式であるであろう。
【０１１７】
任意選択で、回転リジェネレーターに対する圧縮作動流体は、シャフト駆動式圧縮機によって送出されてもよい。任意の圧縮デバイスが適することになるが、シャフト駆動式圧縮機は、電気駆動式圧縮機から生じることになる固有のサイクル効率損失（すなわち、電気を発生し、その後、圧縮機を駆動するときに失われる効率）を取り除くであろう。
【０１１８】
任意選択で、シャフト駆動式圧縮機は、低回転速度で、必要とされる圧縮比を生成することができるであろう。
【０１１９】
圧縮機がシャフト駆動式である実施形態において、プロセスは、タービン及び圧縮機の回転速度が、タービン回転を保つために燃料のみが必要とされるのに十分である自己維持速度を有するであろう。シャフトの回転は、システム内の他のコンポーネントの抵抗に基づいて圧縮機を通る特定の質量流量によって圧縮機の特定の圧力比をもたらす。この質量流量及び圧力比は、燃焼器内の燃料の付加によって、タービンから取り出される仕事(work)が圧縮機から必要とされる仕事より大きくなるのに十分である。
【０１２０】
任意選択で、シャフト駆動式圧縮機は、圧縮機によって行われる仕事を低減するために、圧縮空気が段間で冷却されるような多段中間冷却式圧縮機であるであろう。このシナリオでは、圧縮機は、２つ以上の段を有するであろう、また、同じシャフトによって駆動されるであろう。中間冷却器は、当業者によく知られている圧縮機又は熱交換器に特有とすることができる。
【０１２１】
任意選択で、シャフト駆動式圧縮機及びタービンは、発電機に接続されることになり、それにより、起動中に、発電機は、適した自己維持速度における切り替えが可能である前に、圧縮機を回転させて、圧縮空気をシステム内に提供することができる。任意選択で、シャフト駆動式圧縮機は、起動のために補助モーターに接続され、補助モーターからのシャフトは、通常運転中に主タービンシャフトから切り離すことができる。任意選択で、シャフト圧縮機が使用されると、システム内に接続された補助圧縮機によって起動をイネーブルすることができ、それにより、自己維持速度で、関連する弁閉鎖が、補助圧縮機をオフすることができ、また、サイクルがシャフト圧縮機をオフすることができることを保証することができる。
【０１２２】
本明細書で述べるサイクルは、非常に効率的（４０％よりも大きい）であり、超低ＮＯＸ排出（排気ガス処理なしで３ｐｐｍ未満）であり、低発電（１ＭＷ未満）であり、低コストであり、モジュール式であり、多燃料能力を有し、スケーラブルであり（すなわち、３０ｋＷ〜１ＭＷの任意の発電出力で設計することができ）、複雑さが低く、したがって、制御するのが簡単であり、（例えば、自動車産業での使用にとって）コンパクトである可能性を有する。
【０１２３】
図１２〜図２７は、ブレイトンタイプタービンサイクル又は他のタービンサイクルの一部として回転リジェネレーターを組み込むシステムについての抽象略図を示す。それぞれの場合に、システムは、圧縮空気を、３つのコアコンポーネント、すなわち、回転リジェネレーター、タービン、及び燃焼器に送出する圧縮機を含むコアプロセスのために適合される。
【０１２４】
図１２は、冷低圧作動流体、本発明では周囲空気２１０が圧縮段２０２に引き込まれるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。典型的には、周囲温度より高いが、約１５０℃より低い圧縮空気２１２は、圧縮段を出て高温回転リジェネレーター２０４に入り、圧縮空気は、高温高圧ストリーム２１４として出る前に、タービン排気ストリーム２１８によってリジェネレーター内で加熱される。このストリーム２１４は、燃料２２２の自動点火温度より高くなければならない。高温高圧空気２１４は、超低ＮＯＸ（３ｐｐｍ未満）無炎燃焼器２０６内で酸化剤として使用される。燃料２２２は、燃焼し、したがって、燃焼空気２１６の温度を、必要なタービン入口温度、約１２５０℃以上まで上げる。エキスパンダータービン（完全にセラミックのマイクロタービン）２０８（１ＭＷ未満）は、ストリームから仕事を取り出し、その仕事を、ギアボックス２２６及び発電機／モーター２２８によって電力に変換することができる。高速発電機２２８を使用することができる場合、ギアボックス２２６は必要とされない。タービンは、シャフト２２４を通して圧縮機２０２も駆動する。タービン排気２１８は、回転リジェネレーター２０４に高温を提供し、回転リジェネレーター２０４は、ストリーム２１２に熱を伝達し、ストリーム２２０として大気に排出する。任意選択で、システム内に入力される燃料２２２の量は、別の熱入力源を設けることによって減少する可能性がある。入力は、直接入力（すなわち、熱流体の注入）又は間接的（すなわち、熱交換による）である可能性がある。入力の場所は、入力のタイプ及び方法に依存し、圧縮後で、かつ、再生の前２１２、再生の後２１４、又はタービン排気２１８内である可能性がある。これは、太陽熱エネルギー、廃熱エネルギー（例えば、別のプロセスからの、蒸気、熱媒油（thermal oil）、又は排気）、電気エネルギー、又は燃焼でない発熱反応（exothermic reaction）からのエネルギーを含むが、それに限定されない。
【０１２５】
図１３は、排気ストリーム２２０からの熱を使用して燃料２２２を予熱する熱交換器２３０によって、排気ストリーム２２０が方向転換される図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。低温排気２３２は大気に排出され、昇温した燃料２３４は、燃焼器に入る。これは、通常、浪費され、したがって、プロセスの全体の熱効率を上げるのに役立つ。
【０１２６】
図１４は、万一これが必要とされる場合、燃料２３８の圧力を上げるために、燃料２２２が任意選択の燃料圧縮機２３６に入る図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。
【０１２７】
図１５は、図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示すが、起動のための任意選択の燃料バーナー２４２を含む。幾つかの実施形態において、特に、燃焼器２０６が無炎燃焼器であるとき、燃焼器２０６は、燃料２２２の自動点火を保証するために高温空気入力２１４を必要とする。この実施形態において、回転リジェネレーター２０４がエキスパンダー排気２１８から十分な熱を引き出すことができる前に、起動中にストリーム２１４の温度を上げることが必要である。これを行う１つの方法は高圧バーナー２４２を使用することである。燃料バーナー２４２は、外部燃料ライン２４０、オリジナル燃料ラインのリダイレクト（redirect）２２２ｂ、又は両方を使用する可能性がある。燃料バーナーは、用途に応じて、外部酸化剤２４６又は高圧高温圧縮空気２１４ｂのリダイレクトも利用することになる。そのような燃料バーナーは、高圧、及び、酸化剤として圧縮空気２１４ｂを使用する場合、高温入口酸化剤を扱うことが可能であることになる。起動中に、高温燃焼空気２４４を、圧縮空気ストリーム２１４内に又は燃焼器２０６内に直接注入することができる。好ましくは、バーナーは、通常運転中、オフされることになる。
【０１２８】
図１６は、圧縮段によって行われる仕事を低減するために、シャフト駆動式圧縮機が多段中間冷却式シャフト駆動式圧縮機２０２ａ、２０２ｂで置換されている図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。図１６は、圧縮機がともにシャフト駆動式である２段圧縮機、低圧段２０２ａ及び高圧段２０２ｂを示す。冷周囲空気２１０は第１段圧縮機２０２ａに引き込まれ、第１段圧縮機２０２ａはこのストリームを指定された圧力になるように圧縮する。２段圧縮システムの場合、これは、名目上は、最終圧力比（圧縮空気２１２の圧力対周囲空気２１０の圧力）の平方根である。半圧縮空気２４８は熱交換器２５２に入り、熱交換器２５２は、冷却流体２５４を通して熱を取り出し、ここで低温の半圧縮空気２５０が、第２段圧縮機２０２ｂに入る。冷却流体２５４は高温２５６で熱交換器を出る。第２段圧縮機２０２ｂは、半圧縮空気２５０を所望の作動流体圧力２１２になるように圧縮する。任意選択で、この多段圧縮機は、外部シャフト又はモーターによって駆動され、マルチスプール（multi-spool）され、３つ以上の段を含む可能性がある。
【０１２９】
図１７は、燃焼器に注入する前に液体燃料２５８ｂを気体燃料２５８ｃに変える任意選択の燃料気化器２６０を含む図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。液体燃料２５８ａは、ポンプ又は液体圧縮機２５９によって圧力が上げられることになる。これは、液体燃料とともに使用するために多燃料燃焼器２０６を修正することなく、プロセスが液体燃料と一緒の使用を必要とする場合に使用されることになる。
【０１３０】
図１８は、図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるが、シャフト駆動式でない圧縮機２６２とともに使用するためのシステムを示す。典型的には、このような圧縮機は電気駆動式である又はディーゼル発電機によるであろう。これは、タービンの仕事の全てが、発電機２２８を介した発電のために利用されることを可能にすることになる。
【０１３１】
図１９は、起動だけのために圧縮機２０２を回転させるために使用される任意選択の補助モーター２６４及びシャフト２６６を含む、図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。起動シャフト２６６は、通常運転中に主シャフト２２４から切り離される可能性がある。モーター２６４は、それ自身の発電機を収容する又は商用電源（mains electricity）に取り付けることができる。これは、起動中の圧縮機２０２及びタービン２０８の切り離しを可能にする。
【０１３２】
図２０は、図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるが、起動中に高圧空気２１４ｃを加熱する電気空気予熱器２６８を有するシステムを示す。これは、外部電気入力を通して、例えば、流体ダクト内に埋め込まれた炭化ケイ素加熱要素を使用して圧縮空気２１４の温度を上げることになり、それにより、加熱器出口２７０の温度が起動のために十分に高い温度になる。電気空気予熱器２６８は、高圧高温圧縮空気２１４ｃのリダイレクトを予熱する、又は、主流れ２１４のダクト内に載る可能性がある。これは、無炎燃焼器とともに使用するために圧縮空気２１４の温度を、必要とされる自動点火温度を超える温度まで上げる単純な方法を提供する。
【０１３３】
図２１は、少なくとも１つのカスケード起動バーナー２７２ａ、及び、任意選択で、カスケード無炎燃焼器２７２ｂを有する、図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。１つの実施形態において、起動中に、圧縮空気ストリーム２１４は、大きい流体流２１４ｅ及び小さい流体流２１４ｄにそれぞれ分割される。小さい流体流２１４ｃは、燃焼器又はバーナー２７２ａに入り、燃料２４０ｂは燃焼し、したがって、この流体の温度は上がり（２７０）、主燃焼器２０６に入る前に大きい流体流２１４ｅと混合する。これは、回転リジェネレーター２０４内の熱回収を通して圧縮空気２１４の温度の更なる上昇をもたらす。流体温度は、部分的に上がり、ついには、無炎燃焼が２次起動燃焼器２７２ｂで起こることができるように流体２１４ｄの部分が十分に上がる。好ましくは、２次起動燃焼器は、別の入力流体２１４ｆも有することになり、昇温燃焼空気２７０の全体の質量流量は、２次燃焼器なしで使用されるときに比べて大きくなる。そのようなカスケードシステムは、作動流体２１４ｇと混合された燃焼流体２７０の温度が十分に高くなるまで、すなわち、必要な自動点火温度を超えるまで継続することになり、それにより、無炎燃焼が主燃焼器２０６で起こり得る。任意選択で、システムは通常運転中にバイパスされることになる（２１４）。そのようなシステムにおいて、カスケードバーナー２７２ａ及び無炎燃焼器２７２ｂの数及びサイズは、流れ２１４ｄ、２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇの分割がそうであるように用途依存である。
【０１３４】
図２２は、起動のための任意選択の補助バーナー２７４を有する図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。補助バーナー２１４は、燃料源２４０を燃焼させる、又は、好ましくは周囲圧力の外部酸化剤２４６とともに、方向転換された既存の燃料源２２２ｂを使用する。補助バーナー排気２７６は、回転リジェネレーターに入り、燃焼器２０６に入る前に圧縮空気２１４の温度を熱交換が上げるために必要な熱を提供する。これは、タービン排気２１８の質量流量及び温度が、圧縮空気２１４に対して必要な熱を提供するのに十分になるまで起こり得る。これは、無炎燃焼器とともに使用するために圧縮空気２１４の温度を、必要とされる自動点火温度を超える温度まで上げる単純な方法を提供する。そのようなシステムは、プロセス排気２２０上に配置された誘引ファンを必要とする場合がある。
【０１３５】
図２３は、シャフト駆動式圧縮機２０２の使用中における起動のための補助圧縮機を有する図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。幾つかの実施形態において、発電機は、シャフト駆動式圧縮機２０２を使用するとき、圧縮プロセスを起動するのに適さないであろう。これらの実施形態において、補助圧縮機２７８からの加圧を提供することが必要であるであろう。起動中に、補助圧縮機２７８は、冷作動流体２８２を高圧流体２８０になるように圧縮する。この流体は、その後、回転リジェネレーター２０４によって温度が上がる。補助圧縮機は、圧縮流体２１２の必要な質量流量を提供するのに十分に速くシャフト駆動式圧縮機２０２が回転するまで利用され続けることになり、それにより、プロセスは自己維持回転速度になる。任意選択で、シャフト圧縮機の出口は、圧縮機の切り替えが起こるまで、大気２８６に通気され得る。
【０１３６】
図２４は、任意選択の排気熱回収デバイス２８４の付加を伴う図１２で述べるプロセスを実装するように適合されるシステムを示す。このデバイスは、地域暖房システム若しくは冷凍システム用の熱交換器、又は、排気ストリームからエネルギーを取り出す他の機器とすることができる。
【０１３７】
図２５は、コアプロセスが静的発電の１つの実施形態のために適合される、図１２で述べるプロセスを実装するように設計されるシステムを示す。これは、段間冷却２５２を有する多段シャフト駆動式圧縮機２０２ａ、２０２ｂを含む。燃料２２２は、プロセス排気２２０を使用して燃料熱交換器２３０によって加熱される前に、燃料圧縮機２３６によって圧縮され、その後、地域暖房等の用途で使用するために熱交換器２８４に送られる。補助圧縮機２７８及び補助バーナー２７４は起動のために使用される。これは、静的発電用途のための１つの実施形態に過ぎず、種々の補助システム及びコアプロセスの他の実施形態が、同じ用途のために存在する。
【０１３８】
図２６は、コアプロセスが自動車航続距離延長（automotive range extension）の１つの実施形態のために適合される、図１２で述べるプロセスを実装するように設計されるシステムを示す。これは、起動中に圧縮空気２１４ｃを加熱する電気加熱器２６８を含み、それにより、加熱された圧縮空気２７０は、無炎多燃料燃焼器２０６を始動させるのに十分に高い温度にある。液体燃料２５８ａは、液体ポンプ２５９によって気化器２６０まで圧送され、気化器２６０は、加圧された液体２５８ｂを気化させて、気体燃料２５８ｂとして燃焼器２０６に注入する。この実施形態では、高速発電機２２８がタービン仕事をポテンシャルエネルギーに変換するために使用され、したがって、ギアボックスは必要でない。さらに、発電機２２８は、起動のためにシャフトを駆動するために使用されることになる。これは、自動車航続距離延長用途のための１つの実施形態に過ぎず、種々の補助システム及びコアプロセスの他の実施形態が、同じ用途のために存在する。
【０１３９】
図２７は、図２５に示すシステムについての起動プロシージャを示す。最初に、圧縮空気をシステムに提供する起動補助圧縮機２７８。次に、回転リジェネレーター２０４がストリーム２１４を加熱することを可能にする起動補助バーナー２７４。タービン２０８及びシャフト圧縮機２０２ａ、２０２ｂは、回転し始めるであろう。シャフト圧縮機２０２ａ、２０２ｂが高速に回転するため、圧縮機を通る質量流量は増加し、シャフト圧縮機からの圧縮空気は大気に逃がされる。圧縮空気ストリーム２１４は、回転リジェネレーターが熱くなるにつれて温度が上がるであろう。無炎燃焼器入口２１４が燃料２３４の無炎燃焼のために十分に高くなると、補助バーナー２７４はオフされ、無炎燃焼器２０６はオンする。より多くの燃料入力は、システム内へのより大きいエネルギー入力及びタービン内へのより高い温度をもたらし、したがって、システム内への燃料入力が増加するにつれて、タービンの、したがってシャフトの速度が増加するであろう。燃料入力２２２は、シャフト２２４の回転速度が十分に高くなるまで増加し、それにより、圧縮機２０２ａ、２０２ｂを通る質量流量は、システムが、補助圧縮機２７８からの更なる圧縮空気入力がない状態で自己維持するのに十分になるであろう。この時点で、シャフト圧縮機２０２ａ、２０２ｂからの圧縮空気は、回転リジェネレーター２０４に送られ、補助圧縮機２７８はオフする、これは、例えば、三方弁によって達成される可能性がある。燃料入力２２２及び発電機２２８からの負荷は、シャフト２２４の速度が設計ポイントに達するまで操作される。
【０１４０】
リジェネレーター及びそれらを組み込むタービンサイクルの用途
リジェネレーター及びそれらを組み込むタービンサイクルは、異なる用途、特に、それらの特定の利点が特に望ましい用途の範囲で利用することができる。例えば、自動車は、そのようなリジェネレーター及び／又はタービンサイクルを組み込む可能性があり、そのようなタービンサイクルは静的発電のために使用される可能性もある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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