(57)【要約】  熱機関（１０）において、気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高圧および高温に圧縮するための第１圧縮器（２４）；および第１圧縮器（２４）によって圧縮された気体を受け取り、圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応を引き起こすための反応器（２８）を含む供給段（２０）と；第２気体を含む気体流を循環するための回路（４２）；供給段（２０）からの発熱反応生成物を、Ｐ１より高い圧力Ｐ２で回路（４２）内の気体流と組み合わせるために回路（４２）と流体連通する混合チャンバ（４４）；混合チャンバ（４４）から受け取った気体を膨張し、機械的な仕事を生じさせるための膨張器（４８）；および膨張器（４８）で膨張された気体を圧縮するための第２圧縮器（５８）を含む主要段（４０）を含む熱機関（１０）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高圧および高温に圧縮するための第１圧縮器、および
前記第１圧縮器によって圧縮された気体を受け取り、前記圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応を引き起こすための反応器
を含む供給段と、
第２気体を含む気体流を循環するための回路、
前記供給段からの前記発熱反応生成物を、Ｐ１より高い圧力Ｐ２で前記回路内の前記気体流と組み合わせるために前記回路と流体連通する混合チャンバ、
前記混合チャンバから受け取った気体を膨張し、機械的な仕事を生じさせるための膨張器、および
前記膨張器で膨張された気体を圧縮するための第２圧縮器
を含む主要段と
を含むことを特徴とする熱機関。
【請求項２】
請求項１に記載の熱機関において、Ｐ２がＰ１より少なくとも５倍大きいことを特徴とする熱機関。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱機関において、前記反応器が前記混合チャンバ内に配置されることを特徴とする熱機関。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱機関において、前記反応器が、前記発熱反応生成物の連続流を放出するための開口を画定する容器を含むことを特徴とする熱機関。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の熱機関において、前記反応器が、気体および燃料を連続的に組み合わせるように構成されることを特徴とする熱機関。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の熱機関において、前記反応器が、気体および燃料を、実質的に化学量論的な比率または準化学量論的な比率で組み合わせるように構成されることを特徴とする熱機関。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の熱機関において、前記第１気体が空気であることを特徴とする熱機関。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の熱機関において、前記第１圧縮器が、前記第１気体の温度を、前記燃料の自己点火温度を超えるまで上昇するように構成されることを特徴とする熱機関。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の熱機関において、前記主要段が、前記膨張器で膨張された気体から前記第２圧縮器で圧縮された気体へ熱を移すための熱回収器を含むことを特徴とする熱機関。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の熱機関において、前記主要段が、前記膨張器で膨張された気体からヒートシンクへ熱を移すための熱交換器を含むことを特徴とする熱機関。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の熱機関において、前記回路から気体を除去するための手段をさらに含むことを特徴とする熱機関。
【請求項１２】
請求項１１に記載の熱機関において、気体を除去するための前記手段が、前記混合チャンバと前記膨張器の間に配置されることを特徴とする熱機関。
【請求項１３】
請求項１１に記載の熱機関において、気体を除去するための前記手段が、前記膨張器の後ろに配置されることを特徴とする熱機関。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の熱機関において、前記回路から気体を除去するための前記手段が、前記除去された気体を膨張するためのさらなる膨張器を含むことを特徴とする熱機関。
【請求項１５】
請求項１乃至１４の何れか１項に記載の熱機関において、前記主要段を通る前記気体の流れが、前記供給段を通る前記気体の流れより多い質量流量を有することを特徴とする熱機関。
【請求項１６】
請求項１乃至１５の何れか１項に記載の熱機関において、前記膨張器が膨張比を有し、それこれ前記第１圧縮器の圧縮比の逆数未満であることを特徴とする熱機関。
【請求項１７】
請求項１乃至１６の何れか１項に記載の熱機関において、前記膨張器が前記さらなる膨張器の膨張比未満の膨張比を有することを特徴とする熱機関。
【請求項１８】
請求項１乃至１７の何れか１項に記載の熱機関において、前記膨張器が５未満の膨張比を有することを特徴とする熱機関。
【請求項１９】
請求項１乃至１８の何れか１項に記載の熱機関において、前記主要段が、Ｐ１より大きい最小気体圧力Ｐｍｉｎを有することを特徴とする熱機関。
【請求項２０】
請求項１乃至１９の何れか１項に記載の熱機関において、前記第２圧縮器が容量式圧縮器であり、前記膨張器が動的膨張器であることを特徴とする熱機関。
【請求項２１】
熱機関を作動する方法において、
供給段において、
気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高圧および高温まで圧縮するために第１圧縮器を使用するステップと、
前記圧縮された気体を反応器へ移送し、前記圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応を引き起こすステップとを含み、
主要段において、
第２気体を含む気体流を回路に循環させるステップと、
前記回路と流体連通する混合チャンバにおいて、前記供給段からの前記発熱反応の生成物を、Ｐ１より大きい圧力Ｐ２で前記回路中の前記気体流と組み合わせるステップと、
前記混合チャンバから受け取った気体を膨張して機械的な仕事を生じさせるために膨張器を使用するステップと、
前記混合チャンバに循環させるために前記膨張器によって膨張された気体を圧縮するために第２圧縮器を使用するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
熱をプロセスに送達するための装置において、
気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高温および高圧に圧縮するための圧縮器、および
前記第１圧縮器によって圧縮された気体を受け取り、前記圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応を引き起こすための反応器
を含む供給段と、
前記供給段からの前記発熱反応の生成物を、Ｐ１より高い圧力Ｐ２で流体流と組み合わせるための混合チャンバ
を含む主要段と
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２３】
熱をプロセスに送達する方法において、
供給段において、
気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高温および高圧まで圧縮するステップと、
前記圧縮された気体を反応器へ移送し、前記圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応を引き起こすステップとを含み、
主要段において、
混合チャンバにおいて、前記供給段からの前記発熱反応の生成物を、Ｐ１より大きい圧力Ｐ２で流体流と組み合わせるステップ
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセスに熱を送達するための装置（および対応する方法）に関し、特に、しかし排他的ではなく、熱機関および熱機関を作動させる方法に関する。
【０００２】
効果的な熱機関は、機関構成要素が極限温度条件で作動するように作られない限り、所与の動力出力に対して嵩高になる傾向がある。この例は大型ガスタービンであり、大型ガスタービンは、排気ガスストリームからエネルギーの一部を回収するボトミングサイクルと結合されるとき、約６０％の熱効率を達成し得る。大型ディーゼル機関は５０％を超える効率を達成し得る。スターリング機関などの他の種類は、理論的に理想的なサイクルの形態により、高い効率を提供するようであるが、そのような機関内の現実のプロセスの特性により、この理想に近づくことの不可能性によって実際には制限される。
【０００３】
第１および第２エリクソンサイクルは、理想によりぴったり合う実際の機関プロセスを提供し、この第１サイクルは「熱回収のブレイトンサイクル」としてより良く知られている。これらサイクルは、内部機関熱交換の大部分の実行が等圧で起きることによって特徴づけられる。これは、熱交換プロセスをゆっくりと、従って他のサイクルよりも効果的に実行することを可能にする。第２エリクソンサイクルは等圧熱回収を等温膨張および圧縮と結合し、実際の機関内でこれら条件に近づくことは非常に難しい。しかしながら、圧縮および膨張比は低減されるので、第１および第２サイクルの理論効率は収束し、等温条件を得るための努力をより重要でないものにする。
【０００４】
圧縮および膨張比を低減することは、機関が元々通風されている（すなわち最小サイクル圧力が１つの大気圧に近い）場合、熱的に効果的な機関は一般的に所与の動力出力に対して非常に嵩高であり得る（すなわち低動力密度を有し得る）といういくつかの望ましくない副作用を有する。可動部品は対応して大きく、機械的効率は悪い。さらなる欠点は、内部流路および弁を介した圧力損失が機関内部圧力のより高い割合を示し、対応する有害作用を効率上有することである。
【０００５】
熱を機関サイクルに添加するまたは機関サイクルから除去する手段はまた、動力密度および効率の両方に重要である。スターリング機関または蒸気プラントのように熱が外側で添加される場合、壁を介した伝熱の必要性の結果、熱サイクルは伝熱壁の強度によって制限される温度にさらされる。熱の排除が同様に重要であり、内燃機関の場合、排気ストリームを介して非常に効果的に実現される。内燃による熱の添加もまた非常に効果的であるが、必要とされる燃焼速度によって非常に小型の機関種に制限される。これは、添加される燃料の不完全な使用を、およびまた、望ましくない燃焼生成物の発生をもたらす。
【０００６】
本出願人は、増大された動力密度の可能性および従来技術に優る効率を提供する改善された熱機関の必要性を認識した。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、圧力Ｐ１で気体源から受け取った第１気体を高圧および高温に圧縮するための第１圧縮器、および第１圧縮器によって圧縮された気体を受け取り圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応（例えば燃焼）を引き起こすための反応器（例えば燃焼チャンバ）を含む供給段と、第２気体を含む気体流を循環するための回路、供給段からの発熱反応生成物を、Ｐ１より高い圧力Ｐ２で回路内の気体流と組み合わせる（例えば取り込む）ために回路と流体連通する混合チャンバ、混合チャンバから受け取った気体を膨張し機械的な仕事を生じさせるための膨張器、および膨張器で膨張された気体を圧縮するための第２圧縮器を含む主要段とを含む機関が提供される。
【０００８】
このようにして、最初は低圧の気体を供給段（例えば供給サイクル）において予加熱および加圧することが気体（例えば空気または反応用の非反応成分を含有する他の気体）を、発熱反応（例えば燃焼）が起こるのに効果的な温度および圧力で送達する熱機関、その後、熱を主要サイクルに直接送達するために、加熱された発熱反応生成物（例えば燃焼生成物）が主要サイクルの気体ストリームと混合される。供給サイクルがそれ自体熱サイクルとして構成され、および主要サイクルもまた熱サイクルである場合、その中の混合ストリームの質量流が２つのサイクル質量流の合計である両サイクル内の部分サイクルは２つのサイクルの重複を示す。この重複サイクル概念は、主要サイクルへの非常に効果的な熱送達をもたらし、主要サイクルが供給サイクルのそれを超える最小圧力で動作すること、およびまた、発熱反応（例えば燃焼）がほぼ理想的な定常状態の下で起こることを可能にし、燃料をほぼ完全に使用することを可能にする。
【０００９】
この重複サイクルの原理は、多くの機関熱サイクルに適用できるが、主要サイクルが熱回収される２つのブレイトン（または第１エリクソン）サイクルの組合せという状況で特に有利であり得る。この組合せは、理論プロセスの実行、従って高い動力密度との組合せにおける高い効率に近づき得る実際のプロセスを提供する。この理想的形態において、それは、かなりより小さい機関内を除き、大型ガスタービンと同じ熱効率を有するが、ガスタービン内で見出される温度の極値で動作する機関構成要素の必要性を回避する。熱サイクルの一部が２つのサイクル間で共有されるので、この組合せは新たなサイクルの形態をもたらし、新たなサイクルの形態は、非常に効果的な熱添加特性を示すことができるが、中程度のピーク温度が高い動力密度と組み合わされる。
【００１０】
一実施形態において、Ｐ２はＰ１より少なくとも５倍大きい（例えばＰ１より少なくとも１０倍大きく、例えばＰ１より少なくとも２０倍大きい）。
【００１１】
一実施形態において、反応器は混合チャンバ内に配置される。
【００１２】
一実施形態において、反応器は、発熱反応生成物の連続流を放出するための開口を画定する容器を含む。
【００１３】
一実施形態において、反応器は、（例えば連続発熱反応（例えば連続燃焼）を達成するために）気体および燃料を連続的に組み合わせるように（例えば少なくとも１つの動作モードにおいて）構成される。
【００１４】
一実施形態において、反応器は、気体および燃料を、実質的に化学量論的な比率または準化学量論的な比率で組み合わせるように構成される。
【００１５】
一実施形態において、第１気体は空気（例えば大気空気）である。
【００１６】
一実施形態において、第１圧縮器は、第１気体の温度を、燃料の自己点火温度を超えるまで上昇するように構成される。
【００１７】
一実施形態において、主要段は、熱を、膨張器で膨張された気体から、第２圧縮器で圧縮された気体へ移すための熱回収器を含む。
【００１８】
一実施形態において、主要段は、熱を、膨張器で膨張された気体から、ヒートシンク（例えば外界または利用可能であればより冷たいヒートシンク）へ移すための熱交換器を含む。主要段が熱回収器を含む場合、熱交換器は、第２圧縮器による気体の圧縮の前に熱回収器によって冷却された気体から熱を移すために、熱回収器と第２圧縮器の間に配置することが可能である。
【００１９】
一実施形態において、熱機関はさらに、回路から気体を除去するための手段（例えば出口）を含む。このようにして、気体回路中の気体内容物は、（例えば、所与の圧力および温度比に対し主要サイクル内の実質的に一定の質量を維持するために）混合チャンバで主要流に添加される気体を考慮に入れるように制御可能である。一実施形態において、除去された気体は、大気中に排出可能である。
【００２０】
一実施形態において、気体を除去する手段は、混合チャンバと膨張器の間に配置される。別の実施形態において、気体を除去する手段は膨張器の後ろ（例えば膨張器と熱回収器の間）に配置される。
【００２１】
一実施形態において、回路から気体を除去する手段は、除去された気体を膨張するためのさらなる膨張器をさらに含む。
【００２２】
一実施形態において、主要段を通る気体の流れは、供給段を通る気体の流れより多い（例えば少なくとも５倍多い、少なくとも１０倍多い、少なくとも２０倍多い）質量流量を有する。
【００２３】
一実施形態において、膨張器は膨張比を有し、それこれ第１圧縮器の圧縮比の逆数未満。
【００２４】
さらなる膨張器が混合チャンバと膨張器の間に配置される場合、膨張器はさらなる膨張器の膨張比未満の膨張比を有し得る。
【００２５】
一実施形態において、膨張器は５未満（例えば４未満または２未満）の膨張比を有する。
【００２６】
一実施形態において、主要段は、Ｐ１より大きい最小気体圧力Ｐｍｉｎを有する。
【００２７】
一実施形態において、膨張器および／またはさらなる膨張器は、第１および第２圧縮器の少なくとも１つに結合され（例えば、（例えば接続シャフトによって）直接的に機械的に結合され、または（例えば電動式圧縮器を駆動する発電機を介して）間接的に結合され）、それにより膨張の仕事が圧縮の仕事を補助するために使用される。
【００２８】
第１および／または第２圧縮器は、回転式圧縮器、往復式圧縮器、または他のいずれかの形態の圧縮器であり得る。
【００２９】
一実施形態において、第１および／または第２圧縮器による圧縮は、実質的に等エントロピーまたは断熱式である。
【００３０】
一実施形態において、発熱反応は実質的に等圧の条件の下で起きる。
【００３１】
膨張器および／またはさらなる膨張器は、回転式膨張器、往復式膨張器、または他のいずれかの形態の膨張器であり得る。
【００３２】
一実施形態において、膨張器および／またはさらなる膨張器による膨張は、実質的に等エントロピーまたは断熱式である。
【００３３】
一実施形態において、第２圧縮器は容量式圧縮器であり、膨張器は動的膨張器（例えばターボ膨張器）である。このようにして、第２圧縮器および膨張器の作動は、装置向けに最適化することができ、ここで第２圧縮器を通る体積気体流は、膨張器を通る体積気体流より少ない（例えばかなり少ない）。
【００３４】
本発明の第２の態様によれば、熱機関を作動する方法が提供され、方法は、供給段において、気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高圧および高温まで圧縮するために第１圧縮器を使用するステップと、圧縮された気体を反応器（例えば燃焼チャンバ）へ移送するステップと、圧縮された気体を燃料と組み合わせ発熱反応（例えば燃焼）を引き起こすステップとを含み、主要段において、第２気体を含む気体流を回路に循環させるステップと、回路と流体連通する混合チャンバにおいて、供給段からの発熱反応生成物を、Ｐ１より大きい圧力Ｐ２で回路中の気体流と組み合わせる（例えば取り込む）ステップと、混合チャンバから受け取った気体を膨張して機械的動作を引き起こすために膨張器を使用するステップと、混合チャンバに循環させるために膨張器によって膨張された気体を圧縮するために第２圧縮器を使用するステップとを含む。
【００３５】
一実施形態において、Ｐ２はＰ１より少なくとも５倍大きい（例えば、Ｐ１より少なくとも１０倍大きい、例えば、Ｐ１より少なくとも２０倍大きい）。
【００３６】
一実施形態において、反応器は混合チャンバ内に配置される。
【００３７】
一実施形態において、反応器は、発熱反応生成物の連続流を放出するための開口を画定する容器を含む。
【００３８】
一実施形態において、圧縮された気体および燃料は、（例えば連続発熱反応（例えば連続燃焼）を達成するために）連続的に組み合わせられる。
【００３９】
一実施形態において、圧縮された気体および燃料は、実質的に化学量論的な比率または準化学量論的な比率で組み合わせられる。
【００４０】
一実施形態において、第１気体は空気（例えば大気空気）である。
【００４１】
一実施形態において、第１圧縮器を使用して第１気体を圧縮するステップは、第１気体の温度を、燃料の自己点火温度を超えるまで上昇させることを含む。
【００４２】
一実施形態において、方法はさらに、膨張器によって膨張された気体を熱回収器に通し、膨張された気体からの熱を第２圧縮器で圧縮された気体へ移すステップを含む。
【００４３】
一実施形態において、方法はさらに、熱を、膨張器で膨張された気体から、ヒートシンク（例えば外界または利用可能であればより冷たいヒートシンク）へ移すステップを含む。主要段が熱回収器を含む場合、熱交換器は、第２圧縮器による気体の圧縮の前に熱回収器によって冷却された気体から熱を移すために、熱回収器と第２圧縮器の間に配置することが可能である。
【００４４】
一実施形態において、方法はさらに、回路から気体を除去するステップを含む。このようにして、気体回路中の気体内容物は、（例えば、所与の圧力および温度比に対し主要サイクル内で実質的に一定の質量を維持するために）混合チャンバで主要流に添加される気体を考慮に入れるように制御可能である。一実施形態において、除去された気体は、大気中に排出可能である。
【００４５】
一実施形態において、気体は、供給段からの発熱反応生成物を気体流と組み合わせた後および気体膨張ステップの前、回路から除去される。別の実施形態において、気体は膨張器を通過した後（例えば膨張器と熱回収器の間で）除去される。
【００４６】
一実施形態において、回路から除去された気体はさらなる膨張器によって膨張される。
【００４７】
一実施形態において、主要段を通る気体の流れは、供給段を通る気体の流れより多い（例えば少なくとも５倍多い、少なくとも１０倍多い、少なくとも２０倍多い）質量流量を有する。
【００４８】
一実施形態において、膨張器は膨張比を有し、それこれ第１圧縮器の圧縮比の逆数未満。
【００４９】
気体膨張ステップの前に回路から気体が除去される場合、膨張器はさらなる膨張器の膨張比未満の膨張比を有し得る。
【００５０】
一実施形態において、膨張器は５未満（例えば２未満）の膨張比を有する。
【００５１】
一実施形態において、主要段は、Ｐ１より大きい最小気体圧力Ｐｍｉｎを有する。
【００５２】
一実施形態において、膨張器および／またはさらなる膨張器は、第１および第２圧縮器の少なくとも１つに結合され（例えば、（例えば接続シャフトによって）直接的に機械的に結合され、または（例えば電動式圧縮器を駆動する発電機を介して）間接的に結合され）、それにより膨張の仕事が圧縮の仕事を補助するために使用される。
【００５３】
第１および／または第２圧縮器は、回転式圧縮器、往復式圧縮器、または他のいずれかの形態の圧縮器であり得る。
【００５４】
一実施形態において、第１および／または第２圧縮器による圧縮は、実質的に等エントロピーまたは断熱式である。
【００５５】
一実施形態において、発熱反応は実質的に等圧の条件の下で起きる。
【００５６】
膨張器および／またはさらなる膨張器は、回転式膨張器、往復式膨張器、または他のいずれかの形態の膨張器であり得る。
【００５７】
一実施形態において、膨張器および／またはさらなる膨張器による膨張は、実質的に等エントロピーまたは断熱式である。
【００５８】
本発明の第３の態様によれば、熱をプロセスに送達するための装置が提供され、装置は、圧力Ｐ１で気体源から受け取った第１気体を高温および高圧に圧縮するための圧縮器、および第１圧縮器によって圧縮された気体を受け取り圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応（例えば燃焼）を引き起こすための反応器（例えば燃焼チャンバ）を含む供給段と、供給段からの発熱反応生成物を、Ｐ１より高い圧力Ｐ２で流体流（例えば気体流）と組み合わせる（例えば取り込む）ための混合チャンバを含む主要段とを含む。
【００５９】
このようにして、熱を効果的にプロセスへ送達するための装置が提供され、ここで、最初は低圧の気体を供給段（例えば供給サイクル）において予加熱および加圧することが、気体（例えば空気または反応用の非反応成分を含有する他の気体）を、発熱反応（例えば燃焼）が起きるのに効果的な温度および圧力で送達し、その後、加熱された発熱反応生成物（例えば燃焼生成物）が、熱を流体ストリームに直接送達するために、プロセスを対象とした流体ストリームと混合される。装置はまた、高温の流体ストリーム（例えば気体ストリーム）が要求されるまたは利用できるあらゆるプロセスに熱を送達するために使用可能である。例えば、プロセスは以下の非包括的リストから選択可能である：（例えば固化において緻密化を保証するための）高圧での溶融金属プロセス；高圧から恩恵を受ける化学プロセス；表面処理。
【００６０】
一実施形態において、Ｐ２はＰ１より少なくとも５倍大きい（例えば、Ｐ１より少なくとも１０倍大きい、例えば、Ｐ１より少なくとも２０倍大きい）。
【００６１】
一実施形態において、反応器は混合チャンバ内に配置される。
【００６２】
一実施形態において、反応器は、発熱反応生成物の連続流を放出するための開口を画定する容器を含む。
【００６３】
一実施形態において、反応器は、気体および燃料を（例えば連続発熱反応（例えば連続燃焼）を達成するために）連続的に組み合わせるように構成される。
【００６４】
一実施形態において、反応器は、気体および燃料を、実質的に化学量論的な比率または準化学量論的な比率で組み合わせるように構成される。
【００６５】
一実施形態において、第１気体は空気（例えば大気空気）である。
【００６６】
一実施形態において、圧縮器は、第１気体の温度を、燃料の自己点火温度を超えるまで上昇させるように構成される。
【００６７】
一実施形態において、流体流は、供給段を通る気体の流れより多い（例えば少なくとも５倍多い、少なくとも１０倍多い、少なくとも２０倍多い）質量流量を有する。
【００６８】
圧縮器は、回転式圧縮器、往復式圧縮器、または他のいずれかの形態の圧縮器であり得る。
【００６９】
一実施形態において、圧縮器による圧縮は、実質的に等エントロピーまたは断熱式である。
【００７０】
一実施形態において、発熱反応は実質的に等圧の条件の下で起きる。
【００７１】
熱をプロセスに送達する方法において、供給段において、気体源から圧力Ｐ１で受け取った第１気体を高温および高圧まで圧縮するために圧縮器を使用するステップと、圧縮された気体を反応器（例えば燃焼チャンバ）へ移送するステップと、圧縮された気体を燃料と組み合わせて発熱反応（例えば燃焼）を引き起こすステップとを含み、主要段において、混合チャンバにおいて、供給段からの発熱反応生成物を、Ｐ１より大きい圧力Ｐ２で流体流（例えば気体流）と組み合わせる（例えば取り込む）ステップとを含む方法。
【００７２】
一実施形態において、Ｐ２はＰ１より少なくとも５倍大きい（例えば、Ｐ１より少なくとも１０倍大きい、例えば、Ｐ１より少なくとも２０倍大きい）。
【００７３】
一実施形態において、反応器は混合チャンバ内に配置される。
【００７４】
一実施形態において、反応器は、発熱反応生成物の連続流を放出するための開口を画定する容器を含む。
【００７５】
一実施形態において、圧縮された気体および燃料は（例えば連続発熱反応（例えば連続燃焼）を達成するために）連続的に組み合わせられる。
【００７６】
一実施形態において、圧縮された気体および燃料は、実質的に化学量論的な比率または準化学量論的な比率で組み合わせられる。
【００７７】
一実施形態において、第１気体は空気（例えば大気空気）である。
【００７８】
一実施形態において、圧縮器を使用して第１気体を圧縮するステップは、燃料の自己点火温度を超えるまで第１気体の温度を上昇させることを含む。
【００７９】
一実施形態において、流体流は、供給段を通る気体の流れより多い（例えば少なくとも５倍多い、少なくとも１０倍多い、少なくとも２０倍多い）質量流量を有する。
【００８０】
圧縮器は、回転式圧縮器、往復式圧縮器、または他のいずれかの形態の圧縮器であり得る。
【００８１】
一実施形態において、圧縮器による圧縮は、実質的に等エントロピーまたは断熱式である。
【００８２】
一実施形態において、発熱反応は実質的に等圧の条件の下で起きる。
【００８３】
次に本発明の実施形態を、添付図面を参照して例によって記載する。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による熱機関の概略図を示す。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態による熱機関の概略図を示す。
【図３】図３は、第１条件下で図１および２の熱機関の典型的なサイクルをモデリングするＰ−ＳＶ線図である。
【図４】図４は、第２条件下で図１および２の熱機関の典型的なサイクルをモデリングするＰ−ＳＶ線図である。
【図５】図５は、図４のモデルで使用される第２条件下で図１および２の熱機関の典型的なサイクルをモデリングするＰ−Ｖ線図である。
【図６】図６は、本発明のさらなる実施形態による、熱をプロセスに送達するための装置の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
図１は、第１気体を処理する供給段２０と、第２気体を含む気体流を循環させるための回路４２を画定する主要段４０とを含む熱機関１０を示す。
【００８６】
供給段２０は、第１気体（例えば空気または他の気体状反応物）を圧力Ｐ１で気体源から受け取るための気体入口２２と、気体入口２２から受け取った気体をピーク圧力まで圧縮するように構成された小型圧縮器２４（例えば回転式もしくは往復式または他の形式）と、主要段４０の一部を形成するより大きい混合チャンバ４４内に包含された反応器２８（例えば燃焼チャンバまたは燃焼器）とを含む。
【００８７】
反応器２８は、反応生成物（例えば燃焼生成物）の連続流を放出するための開口３２を画定する容器３０を含み、および、小型圧縮器２４によって圧縮された気体を、経路２６を介して高圧および高温で、燃料入口３４を介して供給された燃料３３とともに受け取り、圧縮された気体と燃料とを組み合わせ、領域３５で連続発熱反応（例えば、気体がオキシダントを含む場合、燃焼）を引き起こすように構成される。次に、加熱された発熱反応生成物は、熱を主要サイクルの気体に直接加え、その濃度を低減しその温度を上げるために、圧力Ｐ２で回路４２を通る気体流に取り込まれるように、混合チャンバ４４内の混合領域４５に向けられる。反応器２８に供給される反応物混合物は、主要サイクルの気体が混合チャンバ４４に入る温度よりも高い温度で発熱反応をもたらすように選択され、また、非常に高い温度の燃焼を可能にするような比率であり得る（例えば実質的に化学量論的な比率、準化学量論的な比率、または別の比率）。従って、結果として得られる混合物の温度は、主要サイクルの気体が混合チャンバ４４に入るとき主要サイクルの気体の温度より高いが、反応器２８に供給される反応物の反応生成物の温度より低い。混合チャンバ内の混合物の一部は、経路３６を介して小型膨張器３８（往復式、回転式または他の形式）へ分岐され、小型膨張器３８で気体は入口ストリームの元々の圧力Ｐ１まで膨張され、出口３９で周囲環境（例えば第１気体が空気の場合）へ、または他の廃棄物受入器へ排出される。混合チャンバ４４内の気体混合物の残りは、経路４６を介して大型膨張器４８（往復式、回転式または他の形式）へ流れ、その中で気体は、供給サイクルの小型圧縮器２４および小型膨張器３４の膨張比が大型膨張器４８内の比率のそれより大きいように、入口ストリームの圧力Ｐ１を超える圧力まで膨張され、吸気式機械の典型的な比率はそれぞれ１５超および２未満であるが、他の比率範囲が可能である。
【００８８】
大型膨張器４８を出た後、気体は経路５０を介して熱回収器５２へ送られ、そこで気体は、次第に温まるストリームによって冷却され、その後、冷却器５４へ送られ、冷却器５４は気体をあたかも環境温度に使用できるかのような温度まで、またはより冷たいヒートシンクが利用できる場合はより冷たい温度まで、さらに冷却する。気体は冷却器５４を離れ経路５６を介して大型圧縮器５８へ流れ、大型圧縮器５８は気体をほぼ混合チャンバ４４の圧力Ｐ２まで再圧縮する。気体は経路６０を介して大型圧縮器５８を離れ、熱回収器５２に入り、そこで気体は、次第に冷たくなる対向流によって、反応器２８への反応気体フィードとほぼ同じ温度まで温められる。次に気体は経路６２を介して混合チャンバ４４へ送られ、反応器２８の下流で反応生成物と混合し、連続サイクルにおいて前に記載したように混合チャンバ４４の下流に続く。
【００８９】
従って主要サイクル内の質量流量は実質的に循環し、いずれの地点においても供給サイクル入口流の圧力Ｐ１より上である。同じく主要サイクル質量流量は一般に、供給サイクルのそれよりはるかに多い。示されるように、圧縮器２４、５８および膨張器３８、４８は、シャフト６４によって機械的に連結され（しかし他の方法が可能である）、２つの膨張器の仕事は２つの圧縮器のそれより大きいので、全体は動力生成機関サイクルを示す。
【００９０】
このサイクルは、加圧された機関サイクル（主要サイクル）に熱を添加する極めて効果的な方法を提供する一方、反応器２８内の燃焼生成物は、冷却時に相変化にさらされるいくつかの要素を含む可能性があり、従って液体廃棄物がサイクル内のある地点で生成される可能性がある。これは、熱回収器５２または冷却器５４の冷却側の下流の気体経路に収集器（不図示）を置くことによって除去可能であり、そこからこの残渣は機関圧力によって、またはポンプ（ここでも不図示）を介して一掃できる。
【００９１】
主要サイクルの作動流体は、気体サイクルが使用される場合、最終的に燃焼生成物になる。蒸気サイクルも可能であり、その際、蒸気は熱回収器５２および／または冷却器５４内で液体に凝結され、熱回収器５２および／または冷却器５４は、気体および余分な液体内容物を、放出弁（不図示）を介して一掃できる。その後、再気化が熱回収器５２内で起こり、熱は前のように混合チャンバ４４内で燃焼生成物と混合することによって供給され得る。供給サイクルの入口側は、燃焼用の反応物（例えば自然空気である）だけを処理し得るが、小型膨張器３８（名目上供給サイクルの膨張側）は、主要サイクルと同じ作動流体を膨張し得る。
【００９２】
この示されるサイクルと過給機関とのいくつかの表面的な類似点があるが、いくつかの重要な違いがある。
１．主要サイクルは作動流体の大部分を循環する。
２．燃焼プロセスは、供給サイクルに供給される気体および燃料だけを使用する。
３．主要サイクルへの熱添加は主に供給サイクルの反応生成物との混合による。
４．主要サイクルはいずれの地点においても供給サイクルの最も低い圧力より上である。
５．主要サイクル質量流量は供給サイクルのそれより多い（しばしば１０〜２０倍またはそれ以上多い）。
６．主要サイクル内に残る未燃焼反応物は、サイクルが繰り返すとき燃焼チャンバに戻り、および少量の過剰酸素（例えば）が供給サイクルによって供給される場合、燃焼温度に達するとき、これら未燃焼反応物は、反応し熱を生成するさらなる機会を有する。
【００９３】
有利には、本発明の熱機関１０は、所与の動力出力に対して極めて空間節約型の装置向けに潜在性を呈し、その可動構成要素および弁が極限温度で動作することを必要とされず、小さい（例えば約１００ｋＷ）サイズで効果的であり得る。さらに、重複サイクル機関がその仕事の大半を加圧された状態で行うことを考慮すると、熱機関１０は、高高度運転の影響を受けにくくすることができるので、特に航空での利用に好適である。これは小型往復式機械のエンベロープ内を除き大型ガスタービンと同様の効果を提供するので、軽飛行機、小型発電機および車両などのより低い動力使用に対し利用可能性を有することができる。好ましい実践における連続燃焼はまた、気体状、液体状および固体状を含む多くの異なる燃料の使用を可能にする。小さなスケールでのその高い効率はまた、分散型動力生成および組合せ型熱および動力システムにおける使用のものであり得る。
【００９４】
図２は熱機関１０に基づく熱機関１０’を示し、対応する特徴がそれに応じてラベル付けされているが、小型膨張器３８’は大型膨張器４８’の後ろに、大型膨張器と熱回収器５２’の間に位置付けられている。これは、作動流体の最大可能質量を最大膨張器に通すという利点を有する。大型膨張器は小型膨張器より効果的である可能性があるので、これはサイクル効率に関して総合的利益を有し得る。小型膨張器３８’はまた、供給サイクル圧縮器２４’の寸法よりほんのわずか大きい寸法のものであり得、往復式または他の容積式の場合、同一の機械が圧縮および膨張の両機能を交互に実行することを可能にする。
【００９５】
単純な圧縮器および膨張器に関して記載されるが、熱機関１０および１０’で使用されるこれら装置は、容量式または空力（ターボ機械）式、あるいは特定の用途に要求されるようなこれらのいずれかの適切な組合せのものであってもよい。さらに、全ての熱交換プロセスはほぼ等圧で起こり、それによりこれらプロセスは大型熱交換装置内でゆっくり起こり得る。これは低い圧力損失と効果的な熱交換をもたらし得る。
【００９６】
一実施形態において、熱機関１０および１０’は、大型圧縮器５８、５８’を通る体積気体流が、大型膨張器４８、４８’を通る体積気体流よりもかなり少なくなるように構成可能である（例えば、圧縮器の流れが膨張器の流れの半分未満であり得ることを示す図５に示されるように）。この流量の差のせいで、容積式圧縮器（これは非常に高い気体処理効率を提供できるが一般的に大量の流量に理想的でない）と、動的膨張器（大量の流量により良く適している）との特定の組合せを主要サイクルで利用することが有利であり得る。有利には、容積式圧縮器と動的膨張器の組合せは、例えば航空機での使用における、特定の動力出力が重要である利用、または既存の大型ターボ膨張器が利用に適しているがサイクルの必要性を満たすためにはるかにより小型の流量圧縮器を必要とする利用において価値のあるものであり得る。図１および２に示されるサイクルはともに連続燃焼を活用することに留意されたい。これは、完全燃焼のための時間が等圧燃焼チャンバ内で許容され得るがサイクルの重複の原理は連続燃焼装置への利用において制限されないという利点を有することができる。例えば、往復式機関シリンダのヘッド部が循環式に反応物を供給される領域を含む場合、これら反応物はシリンダ内で気体の大部分と混合する前に熱を生成する可能性があり、従って、機関構成要素によってその後経験される温度は、前に記載された場合のように熱生成反応の温度よりも低い可能性がある。このように、スターリング機関（例えば）は、吸気式内燃装置になり得る一方、周囲環境の圧力を実質的に超える最小圧力でなおも動作する。
【００９７】
図３は、図１および２の熱機関に利用可能な重複サイクルの圧力−比体積（１／密度）を示す。地点１、２、３、４、１で示されるサイクルは供給サイクルであり、地点１ｐ、２ｐ、３ｐ、４ｐ、１ｐで示されるサイクルは主要サイクルであり、さらなる「相当ブレイトンサイクル」は地点１ｅ、２ｅ、３ｅ、４ｅ、１ｅで示されている。反応物気体供給物（典型的に周囲条件における大気空気）が１で供給サイクルに入り、地点２、供給、主要および相当ブレイトンサイクルの最大圧力、およびまた地点２で同じく添加された燃料の点火に適した温度まで圧縮され、発熱反応（例えば燃焼）が起こり、主要サイクルの気体流と混合する前、３ｅとして示される地点に達することができる。主要サイクル流との混合は、地点３およびともに位置付けられた地点３ｐ、物質の検討によって制限され得るが燃焼後温度よりはるかに低い最大機関温度の状態に対して混合物の温度を低減する。混合物の温度が地点２の燃焼前温度に再び近づく地点４ｐ、最低主要サイクル圧力までの供給および主要サイクル両方の総合作動流体混合物の膨張、および、入口気体プラス燃料の質量にほぼ等しいがこの地点において気体状であるいずれかの発生する揮発性要素の一部を除く気体の一部が地点４までさらに膨張され、そこで周囲環境への排出が行われる。気体混合物の大部分は地点４ｐから熱回収器および冷却器を通って地点１ｐまで流れ、その後凝結された揮発性要素は、地点２ｐまで再圧縮する前に一掃されることができ、それは、熱交換器も断熱損失もなしに示される理想的なサイクルにおいて、地点４の排出ストリームと同じ温度であり、続いて気体ストリームは熱回収器を通過することによって加熱され、地点２の燃焼前温度に戻り、そこで地点２および３、３ｐの間でさらなる燃焼生成物と混合される。
【００９８】
主要および供給サイクルを圧力−比体積座標上に表示することは、供給サイクルのそれと同様である主要サイクルの作動流体の単位質量あたりの面積（および従って仕事）を示すが、このサイクルの作動流体の質量は供給サイクルのそれよりもはるかに多く、ここに示される理想的な主要プラス供給サイクル（重複サイクル）の実際の仕事は、地点１ｅ、２ｅ、３ｅ、４ｅ、１ｅで示される「相当ブレイトンサイクル」のそれと同一である。この相当サイクルは、供給サイクル流が地点２、２ｅおよび３、３ｐの間で別の流れと混合されなかった場合に生じ得るサイクルであり、すなわち、それは供給サイクルのそれと等しい質量流を有し、および発熱反応後温度（例えば燃焼後温度）に等しいピーク温度を有するブレイトンサイクルである。この要点として、発熱反応温度（例えば燃焼温度）は約２３００Ｋであり得るが、それは重複サイクルと同じ熱入力および同じ仕事出力を有するので、従ってこのサイクルの熱効率が重複サイクルのそれと同一であることは明らかである。しかしながら、重複サイクルのピーク温度は、相当ブレイトンサイクルのそれよりもはるかに低く、従ってこれは物理的機関によって非常に近似され得る実際のサイクルである。
【００９９】
図４および５は、比較のため、圧力−比体積および圧力−体積座標上に示された同じサイクルを示す。これら図の鍵となる入力パラメータは、
機械限界温度                                                        ７７３Ｋ
燃焼後温度                                                        ２２００Ｋ
供給サイクル入口温度                                                ２８８Ｋ
供給サイクル入口圧力                                        １０１３５０Ｐａ
対向流に関する熱交換器および熱回収器の温度差                １０  ｄｅｇ  Ｋ
主要サイクル圧力比                                                  １．３８
導き出される量は、
燃焼前温度                                                          ６９５Ｋ
主要サイクル質量流／供給サイクル質量流                              １８．３
主要サイクル圧力比                                                  ２１．８
である。
【０１００】
図４はまた、供給、主要および相当ブレイトンサイクルを強調する。図５は、３つのサイクルの真の圧力−体積プロットを示す。これは、主要サイクル内のはるかにより多い質量流の効果を示し、およびサイクルループの相対面積（および従ってサイクルあたりの仕事）を同じ縮尺で示す。主要サイクルは相当ブレイトンサイクルのそれより低い最大体積を有し、およびこの場合、重複サイクル最大体積は相当ブレイトンのそれの８９％であり、重複サイクルのより高い動力密度を示していることを明白に観察することができる。全体サイクルが高圧で作動することを考慮すると、主要サイクルの低い圧力比も有益である。これは、タービンに基づく実践の場合、より少ないタービン段を、および容量式実践の場合、より高い体積効率を可能にし、その両方はより高い全体効率をもたらし得る。要するに、（熱交換損失を有する）重複サイクルは、相当ブレイトンサイクルよりもわずかに低い効率を有するが、相当ブレイトンのピーク温度２２００Ｋに対してピーク温度７７３Ｋを有し、実行が難しいブレイトン機械以外の実行可能な重複サイクル機関をもたらす。
【０１０１】
図４および５が基づく分析は、熱回収器および冷却器における不完全な熱交換を考慮している。これら装置の対向ストリーム間の温度差は、１０ｄｅｇＫに設定されている。これは効率の損失をもたらし、相当ブレイトンサイクルは５８．６％の効率を明らかにするが、この例は重複サイクルの５０．７％を与える。熱交換損失の効果の説明を完全にするために、これら損失と温度増分の間にほぼ直線の関係があり、この場合の損失は、熱交換温度差１度あたり効率において約１．３３％である。
【０１０２】
図６は熱をプロセス１１０に送達するための装置１００を示し、装置は、第１気体を処理するための供給段１２０と、流体流１５０（例えば気体流）を処理するための主要段１４０とを含む。
【０１０３】
供給段１２０は、圧力Ｐ１で第１気体源から第１気体（例えば空気または他の気体状反応物）を受け取るための気体入口１２２と、気体入口１２２から受け取った気体をピーク圧力まで圧縮するように構成された小型圧縮器１２４（例えば回転式もしくは往復式または他の形式）と、主要段１４０の一部を形成するより大きい混合チャンバ１４４内に包含された反応器１２８（例えば燃焼チャンバまたは燃焼器）とを含む。
【０１０４】
反応器１２８は、反応生成物（例えば燃焼生成物）の連続流を放出するための開口１３２を画定する容器１３０を含み、および、小型圧縮器１２４によって圧縮された気体を経路１２６を介して高圧および高温で、燃料入口１３４を介して供給された燃料１３３とともに受け取り、圧縮された気体と燃料とを組み合わせ、領域１３５で連続発熱反応（例えば、気体がオキシダントを含む場合、燃焼）を引き起こすように構成される。次に、加熱された発熱反応の生成物は、熱を主要サイクル気体に直接加え、その濃度を低減しその温度を上げるために、圧力Ｐ２で主要段１４０を通る流体流に取り込まれるように、混合チャンバ１４４内に向けられる。反応器１２８に供給される反応物混合物は、主要段の流体が混合チャンバ１４４に入る温度よりも高い温度で発熱反応をもたらすように選択され、また、非常に高い温度の燃焼を可能にするような比率であり得る（例えば実質的に化学量論的な比率、準化学量論的な比率、または別の比率）。従って、結果として得られる混合物の温度は、主要サイクル流体が混合チャンバ１４４に入るとき主要サイクル流体の温度より高いが、反応器１２８に供給される反応物の反応生成物の温度より低い。
【０１０５】
装置１００は、高温の流体ストリーム（例えば気体ストリーム）が必要とされるか利用できるいずれかのプロセスに熱を送達するために使用可能である。
【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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【国際調査報告】
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