(57)【要約】【課題】  発電用タービンから排出された気化空気の熱エネルギで液体空気を加熱し、膨張する二次空気のエネルギを利用してサブ発電用タービンを駆動させ、ランキンサイクルの熱源として利用した後、二次空気を液体空気として再生回収する。【解決手段】  冷却凝縮室８から排出した二次気化空気を、高圧圧縮機２４で吸入加圧し、加熱膨張室１０に設置された熱交換パイプ１０ｂを加熱した後、真空ポンプ２８の超減圧吸引力によるジュール・トムソン効果によって前記ジュール・トムソン弁２７から減圧タンク２９内に噴出し、空気液化域の温度に降下させて保冷タンク２に回収する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱膨張室の熱源発生器である高圧圧縮機と、二次液体空気の冷熱エネルギを再生させるための真空ポンプと、保冷タンクに装備された冷凍機と、このシステムに必要なポンプの駆動電源を、高圧発電用タービンの発電機とサブ発電用タービンの発電機から発生する電力から供給して稼働するタイプのランキンサイクルであって、低圧発電用タービンから排出した一次気化空気は、二次液体空気の冷熱エネルギで液化する冷却凝縮室に設置された三段階層で構成された冷却凝縮室の一段目の熱交換器で予冷され、二段目の熱交換器で低温化して、三段目の熱交換器で液化し、前記一段目と二段目、及び二段目と三段目の熱交換器の中間には、一次気化空気との熱交換で二次液体空気が昇温昇圧して駆動するサブ発電用タービンが接続され、一段目の熱交換器から排出した二次気化空気は、一次液体空気を加熱膨張して発電用タービンを駆動させるための加熱膨張室の熱源として、高圧圧縮機で吸入加圧され、加熱膨張室に設置された熱交換器内でジュール・トムソン弁によって滞留加熱した後に一次液体空気との熱交換で、冷却され加圧された二次低温空気は、真空ポンプの超減圧吸引力によるジュール・トムソン効果で減圧タンク内へジュール・トムソン弁より噴出冷却して空気液化域の温度に降下した二次低温空気は、冷凍機と安全弁を装備した保冷タンクに回収して、ランキンサイクルの冷熱エネルギとなる液体空気に、部分的に冷凍機で再生することを特徴とするランキンサイクル発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ源として冷却媒体（例えば液体空気）の冷熱を利用したランキンサイクル冷熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクル冷熱発電システムとしては、例えば特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載のものが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１２７８５０号公報
【特許文献２】特開平９−２０９７１７号公報
【特許文献３】特開２００５−１７１８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のランキンサイクル冷熱発電システムは、ランキンサイクルの発電用タービンから排出した気化空気を液体空気に変換する冷熱エネルギが冷却凝縮室で消費され、その予熱を海水などで加熱して膨張する熱エネルギでオープンサイクルの発電用タービンを駆動して大気に放出排気する構成となっているため、大型複雑化して一般発電機としての実用性がなく、大気に排出した残存エネルギの無駄もあった。
そこで本発明は、発電用タービンから排出する気化空気で冷熱エネルギである液体空気を加熱して膨張するエネルギでサブ発電用タービンを駆動した残存エネルギをランキンサイクルの熱源として利用した後に、冷熱エネルギとして再生回収することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、加熱膨張室の熱源発生器である高圧圧縮機と、二次液体空気の冷熱エネルギを再生させるための真空ポンプと、保冷タンクに装備された冷凍機と、このシステムに必要なポンプの駆動電源を、高圧発電用タービンの発電機とサブ発電用タービンの発電機から発生する電力から供給して稼働するタイプのランキンサイクルであって、低圧発電用タービンから排出した一次気化空気は、二次液体空気の冷熱エネルギで液化する冷却凝縮室に設置された三段階層で構成された冷却凝縮室の一段目の熱交換器で予冷され、二段目の熱交換器で低温化して、三段目の熱交換器で液化し、前記一段目と二段目、及び二段目と三段目の熱交換器の中間には、一次気化空気との熱交換で二次液体空気が昇温昇圧して駆動するサブ発電用タービンが接続され、一段目の熱交換器から排出した二次気化空気は、一次液体空気を加熱膨張して発電用タービンを駆動させるための加熱膨張室の熱源として、高圧圧縮機で吸入加圧され、加熱膨張室に設置された熱交換器内でジュール・トムソン弁によって滞留加熱した後に一次液体空気との熱交換で、冷却され加圧された二次低温空気は、真空ポンプの超減圧吸引力によるジュール・トムソン効果で減圧タンク内へジュール・トムソン弁より噴出冷却して空気液化域の温度に降下した二次低温空気は、冷凍機と安全弁を装備した保冷タンクに回収して、ランキンサイクルの冷熱エネルギとなる液体空気に、部分的に冷凍機で再生することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
サブ発電用タービンの駆動によって発電量の増大が図れ、冷却凝縮室の熱交換器から放出された気体を高圧圧縮し、熱交換器で利用することによってバッテリの消費を抑えることができ、液化回収することにより、冷却媒体の無駄が少なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のランキンサイクル発電システムを、図１に基づいて説明する。
冷凍機１を装備した保冷タンク２に注入弁３より−１９０℃の液体空気を注入する。
【０００８】
保冷タンク２に注入された−１９０℃の液体空気４は、第１のポンプ５によりランキンサイクルの一時貯留タンク６に注入される一次液体空気と、同時に第２のポンプ７によりランキンサイクルの三段階層で形成された冷却凝縮室８の第３段目である第３室８ｃの熱交換パイプ９内へ注入される二次液体空気とに分配する。
【０００９】
ランキンサイクルの一時貯留タンク６に注入された−１９０℃の一次液化空気４は、ランキンサイクルにおける加熱膨張室１０のヒータ１０ａから発熱する２００℃の熱源へ、ランキンサイクルの高圧ポンプ１１によりスプレー噴射して−１９０℃の一次液化空気４を１４０℃及び３９気圧に昇温昇圧した一次気化空気に加熱する。
【００１０】
ランキンサイクルの加熱膨張室１０で１４０℃及び３９気圧に昇温昇圧した一次空気は、ランキンサイクルの流路１２を通過してランキンサイクルの高圧発電用タービン１３及びその発電機１４を駆動させた後に、ランキンサイクルの低圧発電用タービン１５及びその発電機１６を駆動させる。
【００１１】
ランキンサイクルの低圧発電用タービン１５より排出した−２０℃の一次気化空気は、ランキンサイクルの冷熱凝縮室８の第３室８ｃの熱交換器としての熱交換パイプ９の冷熱エネルギにより−１００℃の一次低温空気に冷却する。
【００１２】
ランキンサイクルの凝縮室冷却８で冷却凝縮した−１００℃の一次低温空気はランキンサイクルの第３のポンプ１７により、ランキンサイクルの分岐弁１８から大気に排気される。
【００１３】
これまでのランキンサイクルの行程がランキンサイクル発電エンジンの始動時のサイクル行程である。
【００１４】
ランキンサイクルの冷熱凝縮室８の第３室８ｃの熱交換器としての熱交換パイプ９で一次気化空気を−１００℃に冷却した−１９０℃の二次液体空気４は、一次気化空気との熱交換で−１１０℃に昇圧されて第１のサブ発電用タービン１９及びその発電機２０を始動させた後、降温降圧して−１５０℃になる。
【００１５】
ランキンサイクルの低圧発電用タービン１５より排出した−２０℃の一次気化空気で、第１のサブ発電用タービン１９から排出した−１５０℃の二次液体空気を、冷却凝縮室８の第２段目である第２室８ｂの熱交換器としての熱交換パイプ２１内へ流入することによる熱交換で一次気化空気を−７０℃に冷却することにより、−１５０℃の二次液体空気は−８０℃に昇温昇圧されて第２のサブ発電用タービン２２及びその発電機２３を駆動させた後に降温降圧して−１００℃になる。
【００１６】
第２のサブ発電用タービン２２から発電された電圧をセンサで確認したら、高圧圧縮機２４のモータ２５をバッテリ２６の電力により駆動させる。
【００１７】
ランキンサイクルの低圧発電用タービン１５より排出した−２０℃の一次気化空気は、第２のサブ発電用タービン２２より排出した−１００℃の二次低温空気がランキンサイクルの冷却凝縮室８における第１段目である第１室８ａの熱交換器としての熱交換パイプ２６内に流入することによる熱交換で一次気化空気を−４０℃に予冷することによって、−１００℃の一次低温空気は−５０℃となり、高圧圧縮機２４に吸入され送り込まれる。
【００１８】
この時点で、ランキンサイクルの冷却凝縮室８の第１室８ａの一次気体空気温度は−４０℃（予冷）であり、第２室８ｂの一次低温空気の温度は−１１０℃（低温化）であり、第３室８ｃの一次液体空気の温度は−１８０℃（液化）に三段階の冷熱エネルギの冷却で一次空気の温度が変化している。
【００１９】
よってランキンサイクルの冷却凝縮室８で冷却凝縮した−１８０℃の一次液体空気は、ランキンサイクルの第３のポンプ１７によりランキンサイクルの分岐弁１８を通過してランキンサイクルの一時貯留タンク６に送り込まれる。
【００２０】
−５０℃の二次低温空気を高圧圧縮機２４で圧縮加熱した時点でランキンサイクルの加熱膨張室１０のヒータ１０ａ用の電気エネルギのスイッチを切断し、ランキンサイクルの一時貯留タンク６内の−１８０℃の一次液体空気はランキンサイクルの加熱膨張室１０の高圧圧縮機２４に連結された熱交換パイプ１０ｂから発熱する２００℃の熱源へランキンサイクルの高圧ポンプ１１によりスプレー噴射する。
【００２１】
高圧圧縮機２４で加圧加熱された二次高温空気はランキンサイクルの加熱膨張室１０で−１８０℃の一次液体空気との熱交換で冷却加圧され、ジュール・トムソン弁２７と真空ポンプ２８とその中間に位置する減圧タンク２９による超減圧吸引と断熱膨張のダブル冷却効果の行程を通過することにより、二次液体空気の冷熱エネルギを−１７０℃付近までに再生して保冷タンク２に回収し、冷凍機１で二次液体空気の冷熱エネルギを−１９０℃までに再生するが、冷凍機１の能力では−１９０℃まで再生できない二次低温空気は、保冷タンク２に付属した安全弁３０より放出され、液体空気４の量は時間と共に減少する。
【００２２】
このように構成されたランキンサイクル冷熱発電システムでは、二基のサブ発電用タービンが加わることで発電量が増加するし、高圧、低圧の両発電用タービンから排出された残存エネルギをサブ発電用タービンの駆動用の冷却媒体との熱交換に効率よく利用すると共に、冷却媒体の回収を可能としたので、発電効率が大幅にアップする。
【００２３】
前記実施例では、冷却媒体として液体空気を利用しているが、冷却媒体には例えば−１９６℃の液体窒素やそれ以外に液体酸素なども利用できるし、一次空気用と二次空気用とに１つの保冷タンクから分配せず、一次空気用と二次空気用とに保冷タンクを個別装備することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るランキンサイクル冷熱発電システムを示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１・・冷凍機、２・・保冷タンク、３・・注入弁、４・・液体空気、５・・第１のポンプ、６・・一時貯留タンク、７・・第２のポンプ、８・・冷却凝縮室、８ａ・・第１室、８ｂ・・第２室、８ｃ・・第３室、９・・熱交換パイプ、１０・・加熱膨張室、１０ａ・・ヒータ、１１・・高圧ポンプ、１２・・（ランキンサイクルの）流路、１３・・高圧発電用タービン、１４・・発電機、１５・・低圧発電用タービン、１６・・発電機、１７・・第３のポンプ、１８・・分岐弁、１９・・第１のサブ発電用タービン、２０・・発電機、２１・・熱交換パイプ、２２・・第２のサブ発電用タービン、２３・・発電機、２４・・高圧圧縮機、２５・・モータ、２６・・熱交換パイプ、２７・・ジュール・トムソン弁、２８・・真空ポンプ、２９・・減圧タンク。
【図１】
2007046526.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月27日(2006.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱膨張室の熱源発生器である高圧圧縮機と、二次液体空気の冷熱エネルギを再生させるための真空ポンプと、保冷タンクに装備された冷凍機と、このシステムに必要なポンプの駆動電源を、高圧発電用タービンの発電機とサブ発電用タービンの発電機から発生する電力から供給して稼働するタイプのランキンサイクルであって、
低圧発電用タービンから排出した一次気化空気は、二次液体空気の冷熱エネルギで液化する冷却凝縮室に設置された三段階層で構成された冷却凝縮室の一段目の熱交換器で予冷され、二段目の熱交換器で低温化して、三段目の熱交換器で液化し、前記一段目と二段目、及び二段目と三段目の熱交換器の中間には、一次気化空気との熱交換で二次液体空気が昇温昇圧して駆動するサブ発電用タービンが接続され、一段目の熱交換器から排出した二次気化空気は、一次液体空気を加熱膨張して発電用タービンを駆動させるための加熱膨張室の熱源として、高圧圧縮機で吸入加圧され、加熱膨張室に設置された熱交換器を加熱した後に一次液体空気との熱交換で等圧冷却され真空ポンプの超減圧吸引力によるジュール・トムソン効果で減圧タンク内へジュール・トムソン弁より噴出冷却して空気液化域の温度に降下した二次低温空気は、冷凍機と安全弁を装備した保冷タンクに回収して、ランキンサイクルの冷熱エネルギとなる液体空気に、部分的に冷凍機で再生することを特徴とするランキンサイクル発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明は、加熱膨張室の熱源発生器である高圧圧縮機と、二次液体空気の冷熱エネルギを再生させるための真空ポンプと、保冷タンクに装備された冷凍機と、このシステムに必要なポンプの駆動電源を、高圧発電用タービンの発電機とサブ発電用タービンの発電機から発生する電力から供給して稼働するタイプのランキンサイクルであって、低圧発電用タービンから排出した一次気化空気は、二次液体空気の冷熱エネルギで液化する冷却凝縮室に設置された三段階層で構成された冷却凝縮室の一段目の熱交換器で予冷され、二段目の熱交換器で低温化して、三段目の熱交換器で液化し、前記一段目と二段目、及び二段目と三段目の熱交換器の中間には、一次気化空気との熱交換で二次液体空気が昇温昇圧して駆動するサブ発電用タービンが接続され、一段目の熱交換器から排出した二次気化空気は、一次液体空気を加熱膨張して発電用タービンを駆動させるための加熱膨張室の熱源として、高圧圧縮機で吸入加圧され、加熱膨張室に設置された熱交換器を加熱した後に一次液体空気との熱交換で等圧冷却され真空ポンプの超減圧吸引力によるジュール・トムソン効果で減圧タンク内へジュール・トムソン弁より噴出冷却して空気液化域の温度に降下した二次低温空気は、冷凍機と安全弁を装備した保冷タンクに回収して、ランキンサイクルの冷熱エネルギとなる液体空気に、部分的に冷凍機で再生することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
第２のサブ発電用タービン２２から発電された電圧をセンサで確認したら、高圧圧縮機２４のモータ２５を高圧発電用タービン１３の発電機１４の電力により駆動させる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
ランキンサイクルの低圧発電用タービン１５より排出した−２０℃の一次気化空気は、第２のサブ発電用タービン２２より排出した−１００℃の二次低温空気がランキンサイクルの冷却凝縮室８における第１段目である第１室８ａの熱交換器としての熱交換パイプ２６内に流入することによる熱交換で一次気化空気を−４０℃に予冷することによって、−１００℃の二次低温空気は−５０℃となり、高圧圧縮機２４に吸入され送り込まれる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
−５０℃の二次低温空気を高圧圧縮機２４で圧縮加熱した時点でランキンサイクルの加熱膨張室１０のヒータ１０ａ用のバッテリ２６からの電気エネルギのスイッチを切断し、ランキンサイクルの一時貯留タンク６内の−１８０℃の一次液体空気はランキンサイクルの加熱膨張室１０の高圧圧縮機２４に連結された熱交換パイプ１０ｂから発熱する２００℃の熱源へランキンサイクルの高圧ポンプ１１によりスプレー噴射する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
高圧圧縮機２４で加圧加熱された二次高温空気はランキンサイクルの加熱膨張室１０で−１８０℃の一次液体空気との熱交換で等圧冷却され、ジュール・トムソン弁２７と真空ポンプ２８とその中間に位置する減圧タンク２９による超減圧吸引と断熱膨張のダブル冷却効果の行程を通過することにより、二次空気を−１７０℃付近までに再生して保冷タンク２に回収し、冷凍機１で二次液体空気の冷熱エネルギを−１９０℃までに再生するが、冷凍機１の能力では−１９０℃まで再生できない二次低温空気は、保冷タンク２に付属した安全弁３０より放出され、液体空気４の量は時間と共に減少する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
１・・冷凍機、２・・保冷タンク、３・・注入弁、４・・液体空気、５・・第１のポンプ、６・・一時貯留タンク、７・・第２のポンプ、８・・冷却凝縮室、８ａ・・第１室、８ｂ・・第２室、８ｃ・・第３室、９・・熱交換パイプ、１０・・加熱膨張室、１０ａ・・ヒータ、１１・・高圧ポンプ、１２・・（ランキンサイクルの）流路、１３・・高圧発電用タービン、１４・・発電機、１５・・低圧発電用タービン、１６・・発電機、１７・・第３のポンプ、１８・・分岐弁、１９・・第１のサブ発電用タービン、２０・・発電機、２１・・熱交換パイプ、２２・・第２のサブ発電用タービン、２３・・発電機、２４・・高圧圧縮機、２５・・モータ、２６・・バッテリ、２７・・ジュール・トムソン弁、２８・・真空ポンプ、２９・・減圧タンク。