【手続補正書】
【提出日】平成18年2月24日(2006.2.24)
【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】
廃熱及び太陽光源から電気の生成のためのシステムであって、
ａ）以下のものを備えた密閉ループの冷媒作動流体回路と
i）加圧下で作動流体を液体加圧冷媒から加熱ガス冷媒に変えるために廃熱或いは太陽光源から熱エネルギーを供給する少なくとも１つの熱交換器、
ii）出力軸への動力を作り出すために上記加熱された加圧冷媒作動流体により駆動され、この作動流体を減圧させる膨張機であって、該膨張機は、温度が低下している間に上記冷媒作動流体が上記出力軸を駆動するように、前記回路内で逆転するように配置されたスクリュ圧縮機からなり、上記膨張機は連続スクリュ圧縮機と多段スクリュ圧縮機から選択される、
iii）電気を作り出すために上記スクリュ圧縮機出力軸により駆動される発電機であって、該発電機は誘導型発電機と同期型発電機から選択される、
iv）上記圧力降下させられた冷媒作動流体のガス温度を下げ、これにより上記作動流体の凝縮温度で、或いはそれより低温で上記作動流体ガスを液体に変えるための凝縮器、及び
v）上記回路内で上記冷媒作動流体を加圧し循環させるポンプであって、該ポンプは可変周波数駆動により駆動される、
vi）上記熱交換器、膨張機、凝縮器及びポンプを上記密閉ループの冷媒回路内で相互に接続する導管であって、上記作動流体はＲ１２３、２４５ＦＡ、Ｒ１３４Ａ、Ｒ２２有機冷媒から選択され、上記回路は上記膨張機の回りに緊急冷媒作動流体ガスバイパスを含む、
ｂ）上記発電機と上記回路内で加圧液体或いはガス形態にある冷媒作動流体の選択された温度及び圧力とをモニタリングし、上記ポンプ、可変周波数駆動スクリュ圧縮機及び発電機をコントロールするためにコントロール信号を供給するためのコントローラ
との作用的な組み合わせにより構成されるシステム。
【請求項２】
上記スクリュ圧縮機がドライスクリュ圧縮機の場合にはオイル潤滑軸受、及びオイル潤滑スクリュ圧縮機の場合には二次的潤滑オイル分離器及び再利用ループを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記作動流体回路が上記膨張機の出口側にフィルタを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
上記熱交換器が多段式のものである請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記回路が、上記冷却された流体冷媒用の貯蔵器を与えるとともに、上記作動流体用のポンプにヘッドを与えるために上記凝縮器の下流側に受液器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記凝縮器がクーリングタワーと冷却水溜めシステムの内の少なくとも１つを備えた水冷式熱交換器により冷却される請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
上記コントローラが、少なくとも１つのコントロールループ、実際の膨張機の入力圧力及び温度及び膨張機出口温度、発電機のrpmの測定値を表す温度及び圧力入力、及び動力モニタリング、凝縮器制御、上記可変周波数駆動への出力、予め選択された膨張機入力温度、圧力及びΔＴ、及びポンプのオン／オフコントロールのための出力、バイパスバルブコントロール、発電機のオン／オフラインコントロールを含むプログラムを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
廃熱及び太陽光源から電気或いは直結軸動力の生成のためのシステムであって、
ａ）以下のものを備え密閉冷媒作動流体回路が装着されたポータブルスキッドと、
i）加圧下で冷媒作動流体を液体から加熱ガスに変えるために低級廃熱或いは太陽光源から熱エネルギーを供給する少なくとも１つの熱交換器に接続するための入力及び出力加圧冷媒導管、
ii）上記出力軸への動力を作り出すために上記加熱され加圧された冷媒作動流体により駆動され、この作動流体を減圧させる膨張機であって、該膨張機は、上記温度が低下している間に上記冷媒作動流体が上記出力軸を駆動するように、前記回路内で逆転するように配置されたスクリュ圧縮機からなり、
iii）誘導又は同期タイプの発電機の少なくともいずれか一方に接続され、
作業をするために負荷に接続することができる電気及び直結動力取り出しを生成する上記出力軸、
iv）上記圧力降下させられた作動流体のガス温度を下げ、これにより上記作動流体の凝縮温度で、或いはそれより低温で上記作動流体ガスを液体に変えるための凝縮器、
v）上記回路内で上記冷媒作動流体を加圧し循環させるポンプであって、該ポンプは可変周波数駆動により駆動されるポンプ、及び
vi）密閉回路における前記熱交換器の入力及び出力、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを相互に接続する導管であって、前記作動流体はＲ１２３、２４５FA、Ｒ１３４A、Ｒ２２有機冷媒から選ばれ、前記導管は前記膨張機の回りに緊急冷媒作動流体ガスバイパスを含み、
ｂ）上記出力軸と上記回路内で液体或いはガス形態にある作動流体の選択された温度及び圧力とをモニタリングし、上記ポンプ、可変周波数駆動及び前記軸の出力をコントロールするためにコントロール信号を供給するためのコントローラ
との作用的な組み合わせにより構成されるシステム。
【請求項９】
廃熱或いは太陽光源から直結軸動力或いは電気の生成方法であって、
ａ）上記作動流体をより高温の圧縮されたガスにするように加熱するために加圧液状態冷媒作動流体に廃熱源を供給し、前記作動流体はＲ１２３、２４５FA、Ｒ１３４A、Ｒ２２有機冷媒から選ばれ、
ｂ）密閉冷媒媒体作動流体回路内で前記冷媒を送り込み、前記ポンプは可変周波数駆動により駆動され、
ｃ）上記加熱され、圧縮されたガスでもって出力軸を有する膨張機を駆動し、それにより上記ガスを減圧し、前記膨張機は前記回路内で逆転するようにされたスクリュ圧縮機からなり、これにより前記冷媒作動流体は前記出力軸を駆動する一方、温度及び圧力を低下し、
ｄ）同期又は誘導発電機の少なくとも一つを駆動し、前記出力軸で電気又は動力取り出しを生成し、
ｅ）上記冷媒作動流体ガスをその凝縮温度或いはそれ以下で液体に凝縮させ、
ｆ）密閉作動流体回路において上記廃熱源に上記冷媒作動流体液を圧力の下で再利用し、及び
ｇ）上記膨張機の出力軸から電気或いは直結動力を生成するために上記回路内にて上記作動流体液及びガスの流れ、圧力及び温度をモニタリングし、コントロールし、前記モニタリング及びコントロールのステップは、前記軸及び前記液体又はガス状態の作動流体の選択された温度及び圧力をモニタリングすることを含み、
前記ポンプ可変周波数駆動、前記凝縮器及び前記発電機を制御する制御信号を与える、
作用的な順序でのステップからなる方法。
【請求項１０】
前記回路が前記膨張機の回りに緊急冷媒作動流体ガスバイパスを含み、上記再利用のステップが上記低級廃熱源から熱を得るために熱交換器を介して加圧下、上記液状態作動流体を送り込むことからなる請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記モニタリング及びコントロールするステップが、少なくとも１つのコントロールループ、実際の膨張機の入力圧力及び温度及び膨張機出口温度、発電機或いは膨張機の出力軸のrpmの測定値を表す温度及び圧力入力、及び動力モニタリング、上記膨張機出力ガスの液体への冷却のコントロール、上記可変周波数駆動部への出力、予め選択された膨張機入力温度、圧力及びΔＴ、及びポンプのオン／オフコントロールのための出力、バルブのコントロール及び発電機オン／オフライン状態のコントロールを含むプログラムを有する請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
廃熱或いは太陽光源から直結軸動力或いは電気の生成方法であって、
ａ）上記作動流体をより高温の圧縮されたガスにするように加熱するために液状態作動流体に廃熱源を供給し、
ｂ）上記加熱され、圧縮されたガスでもって出力軸を有する膨張機を駆動し、それにより上記ガスを減圧し、前記膨張機は前記回路内で逆転するようにされたスクリュ圧縮機からなり、これにより前記冷媒作動流体は前記圧縮機出力軸を駆動し、
ｃ）上記作動流体ガスをその凝縮温度或いはそれ以下で液体に凝縮させ、
ｄ）密閉作動流体回路において上記廃熱源に上記作動流体液を再利用し、上記再利用が、上記廃熱源から熱を得るために、熱交換器を介して加圧下、制御可能な可変周波数駆動でもって上記液状態作動流体を送り込むことからなり、及び
ｅ）上記膨張機の出力軸から電気或いは直結動力を生成するために上記回路内にて上記作動流体液及びガスの圧力及び温度をモニタリングし、コントロールし、
上記モニタリング及びコントロールが、上記ポンプ、膨張機及び発電機をコントロールするようにコントロール信号を供給するために、上記膨張機出力軸、及び上記回路における液体或いはガス形態の作動流体の選択された温度及び圧力をモニタリングすることを含み、また、少なくとも１つのコントロールループ、実際の膨張機の入力圧力及び温度及び膨張機出口温度、発電機或いは膨張機の出力軸のrpmの測定値を表す温度及び圧力入力、及び動力モニタリング、上記膨張機出力ガスの液体への冷却のコントロール、上記可変周波数駆動部への出力、予め選択された膨張機入力温度、圧力及びΔＴ、及びポンプのオン／オフコントロールのための出力、バルブのコントロール及び発電機オン／オフライン状態のコントロールを含むプログラムを有するＰＬＣを提供することを含む、
作用的な順序でのステップからなる方法。
【請求項１３】
前記膨張機、発電機、凝縮機、ポンプ、及び冷媒流体回路導管要素はポータブルスキッドに装着されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記熱交換器により供給される前記廃熱は低級廃熱である請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記膨張機への前記冷媒圧力入力は、約１５０ｐｓｉｇ以下であり、前記膨張機の外の前記冷媒ガス圧力は約５“真空までである請求項１に記載のシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
本発明は、廃熱源（waste heat sources）からの直結機械的（direct mechanical）及び電気的の双方による動力の生成の分野、さらに具体的には、低級廃棄物焼却或いはプロセス加熱、及び太陽エネルギ源からの動力の生成に関するものである。独創的な動力生成システム及び方法は、モジュール式、スキッドマウント形（skid-mounted）システムとして好ましい実施形態において実現されているが、産業又は商業生産装置に関連して固定式動力生成用の恒久的な設備にも適合させられる。この独創的なシステムは、限定するものではないが、一例として、密閉ループ内における作動流体（冷媒）の循環により廃熱源からのエネルギーの回収を採用し、この密閉ループでは、同期誘導式に、或いは直接的な機械式動力取り出し装置として機能するように、発電機に動力供給するための動力取り出し装置を有する膨張器ユニットを通じて圧力降下がある。好ましい膨張器は、高温、高圧作動流体で逆に運転するように変更されたガス圧縮機である。冷媒のループは、ヒートシンク（heat sink）、好ましくは液冷または空冷式クーリングタワーにより冷却される凝縮器を含んでいる。上記生成の適切な選択により、ＤＣまたはＡＣ（単相または多相）電力の双方が得られる。システムは、低級廃熱源からの費用効率のよい動力の回収を許容しており、重要なことであるが、この独創的なシステムの所用運転動力は作り出された動力の僅かな比率で、典型的なものでは、作り出された動力の１０％よりも小さい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
図１は、独創的な本システム及び方法の構成要素の例示的なブロック図で、冷媒の密閉ループにおける相、流速、温度、バイパスループ及びオイル分離ループを示し、ここにはオイルを必要とする圧縮機が膨張機として使用されている。全般的なシステム１０は、配管された密閉ループで、これに対して熱源１２は熱交換器１４への廃熱或いは太陽熱を供給し、そこに圧縮された低温の（例えば、周囲温度の）液冷媒が管路１６を介して流入し、そしてそこから加熱され、圧縮されたガス冷媒が管路１８を介して膨張機２０へと流出する。作動例として、例えば、排出蒸気、温水、熱い燃焼排ガス、太陽エネルギー或いは地熱エネルギーのような熱源１２からの廃熱入力が、２４０°Ｆで熱交換器１４に入力され、そして２２０°Ｆで出て行く一方、管路１６における圧縮された作動流体（例えば、Ｒ１２３）が８０°Ｆ、１２５psigで熱交換器に投入され、そして２２０°Ｆ、１２５psigで出て行き、そこからオイルフリー膨張機２０に供給される。この例では、凝縮器からの液作動流体出口は４''Ｗ．Ｃ．（真空度）である。廃熱作動流体は、対向流で熱交換器を通って流動し、冷たい作動流体は、熱交換器の底部に８０°Ｆで流入し、１２５psigの最高蒸気圧、２２０°Ｆの最高温度で熱交換器の上部から流出する。この廃熱流体は熱交換器の上部に入り、冷やされた流体はその底部から出る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
膨張機では、ホットガスがブレード或いはスクリューを回転させ、０psig近くまでの圧力、入口温度と周囲温度のおおよそ中間の温度への降下を介してエネルギーを解放する。部分的に冷却されたガスが管路３２を介してオイル分離器３４に吐出され、その油溜めから分離された油が油ループライン３８を介して膨張機２０に戻る。ところでオイルを濾過されたガス冷媒は管路４０を介して凝縮器４２に進み、ここで周囲温度まで冷却され、原則的に０psigで液体に凝縮され、管路４４を介して凝縮器を出て行く。凝縮器は、例えば出口管路４５、入口管路４７、及びポンプ４９を介して凝縮器４２に接続された水冷式或いは空冷式クーリングタワー４６のようないずれかの適宜ヒートシンクにより冷却される。管路４４を介して凝縮器４２を出て行く冷却された液作動流体／冷媒は、受液器４８に進み、該受液器４８は、管路１６を介して熱交換器１４の冷媒ループ入口側に戻る液冷媒を圧縮し、送り出す高圧ポンプ５０のリザーバ／液溜まりとして働く。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図７及び８を参照すると、ＰＬＣプログラム８０はシステムの出力パワーを制御するアルゴリズムを含んでいる。それは圧力及び温度信号の浮動小数点の二進法表示を使用している。これらの信号は、サンプリングされ、アルゴリズムが定期的に計算される。言及されている“選択された”値は、システム要求、即ちシステムの発電機を駆動するために要求される膨張機の出力仕事量及びシステム全体及び作動流体の熱力学的特性に基づいて予め選択される。以下の記述では、我々はあるブロックを特定するための数字から始め、それからコントロールロジック及び信号のフローは図に記された機能記号により追っていける。
・図７において“Ａ” （蒸発器１４からのガス出力ライン１８）で測定されたアクチ    ュアル膨張機入力温度Ｔ１（ｕ），８４が、選択された膨張機入力温度，８６から減
じられ、エラー信号ｃ１を形成する；
・アクチュアル膨張機入力温度Ｔ１（ｕ），８４が、図７において“Ｂ”で（凝縮器４
２の直ぐ上流のライン４０において）測定されたアクチュアル膨張機出力温度Ｔ２（
ｕ），８８から減じられ、膨張機をはさんでのアクチュアル温度差、アクチュアルΔ
Ｔを形成する；
・膨張機をはさんでのアクチュアル温度差、アクチュアルΔＴが、選択された膨張機Δ
Ｔ，９０、及びエラー信号ｃ１から減じられ、エラー信号ｃ２を形成する；
・エラー信号ｃ２が随意的に、補償のために必要に応じて熱力学方程式のディジタル表    示、検索テーブル或いはグラフ，９２に適用され、その出力がｃ３である；
・アクチュアル膨張機入力圧力，Ｐ（ｕ），１０６が、熱力学方程式のディジタル表示    、検索テーブル或いはグラフ，１０８に適用され、その出力がｐ１である。
・それからｐ１が選択された膨張機圧力，９４及びエラー信号ｃ３から減じられ、エラ
ー信号ｃ４を形成する。ｃ４は、ｃ５を形成するために随意的なＰＩＤ（比例積分微
分）信号調整及び補償アルゴリズム，９６に適用される。
・ｃ５が、積分器アルゴリズム，９８に適用され、信号ｃ６を形成する。
・ｃ６はＶＦＤ，１００へのコントロール信号の浮動小数点の二進法表示となっている    。ＶＦＤへのこのコントロール信号は、電圧、電流、或いはシリアルビットストリー    ム（serial bit stream）であればよい。示された図では、それは電圧である。
二進法形式のコントロール信号は、ＰＬＣバスにおけるＤ−Ａ（Digital-to-Analog    ）モジュールに適用される。このモジュールの出力電圧信号，ｃは、ＶＦＤ，１００    の入力部に結び付けられる。