(57)【要約】選択的に設定可能な作業流体回路を有する熱機関システムが提供される。１の熱機関システムは、作業流体回路を通して流れる作業流体を循環させるポンプと、前記作業流体回路の高圧側から前記作業流体を受けかつ前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するエキスパンダとを有する。複数の排熱交換器が各々前記高圧側に選択的に位置しまたは切り離される。複数の回収熱交換器が各々前記高圧側および前記低圧側に選択的に位置しまたは切り離される。複数の弁が駆動されて、前記複数の排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、かつ前記複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置するかについて選択的な制御を可能にする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側および低圧側を有しかつそこを通って作業流体を流すように形成された作業流体回路と、
複数の排熱交換器と、
複数の回収熱交換器と、
前記作業流体回路と流体的に連結され、前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ、前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第１のエキスパンダと、
前記作業流体回路と流体的に連結され、前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ、前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第２のエキスパンダと、
前記作業流体回路の前記高圧側と前記低圧側との間で前記作業流体回路と流体的に連結しかつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成された第１のポンプと、
前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体と熱的に伝導するように形成されかつ前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された第１の凝縮器とを有し、
前記排熱交換器の各々は、前記作業流体回路の前記高圧側と流体的に連結されかつ熱的に伝導し、熱源流と流体的に連結しかつ熱的に伝導し、かつ前記高圧側内で前記熱源流から前記作業流体に熱エネルギーを移動するように形成され、
前記回収熱交換器の各々は、前記作業流体回路と流体的に連結されかつ熱エネルギーを前記作業流体回路の前記高圧側と前記低圧側との間で移動するように形成された熱機関システム。
【請求項２】
前記複数の排熱交換器は前記第１のエキスパンダまたは第２のエキスパンダの上流で前記作業流体回路の前記高圧側で直列に配置された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項３】
前記複数の回収熱交換器は、前記第１のエキスパンダまたは前記第２のエキスパンダの上流で前記作業流体回路の前記高圧側で直列に配置された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項４】
前記複数の回収熱交換器は、前記第１のエキスパンダまたは前記第２のエキスパンダの下流で前記作業流体回路の前記低圧側で直列に配置された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項５】
前記第１の回収熱交換器は、前記低圧側で前記第１のエキスパンダの下流に配置され、前記第２の回収熱交換器は、前記低圧側で前記第２のエキスパンダの下流に配置された請求項４に記載の熱機関システム。
【請求項６】
駆動シャフトによって前記第１のエキスパンダと連結した発電機をさらに有し、前記発電機または前記交流発電機は、前記機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように形成された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項７】
前記第１のエキスパンダおよび前記第２のエキスパンダと連結した駆動シャフトをさらに有し、前記駆動シャフトは、前記第１のポンプ、コンプレッサー、発電機、交流発電機またはこれらの組合せを前記機械エネルギーで駆動するように形成された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項８】
前記作業流体回路と流体的に連結されかつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成された第２のポンプと、
前記作業流体回路で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された第２の凝縮器と、
前記作業流体回路と流体的に連結しかつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成された第３のポンプと、
前記作業流体回路で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された第３の凝縮器とをさらに有する請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項９】
前記作業流体回路の前記低圧側と流体的に連結しかつ熱的に伝導するプロセス加熱システムをさらに有する請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項１０】
前記プロセス加熱システムは、前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを前記プロセス熱交換器を通して流れる熱伝導流体に移動するように形成されたプロセス熱交換器を有する請求項９に記載の熱機関システム。
【請求項１１】
前記プロセス熱交換器は、予熱工程の間に前記作業流体回路の前記低圧側で熱エネルギーを前記作業流体からメタンを有する流体に移動して加熱メタン流を形成するように形成され、前記熱源流は前記加熱メタン流を燃焼するように形成された熱源から引き出される請求項１０に記載の熱機関システム。
【請求項１２】
高圧側および低圧側を有する作業流体回路を通して作業流体を加圧しかつ循環するように形成されたポンプと、
前記高圧側から前記作業流体を受け入れかつ前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第１のエキスパンダと、
熱源流の流路に沿って直列に配置され各々が熱エネルギーを前記熱源流から前記作業流体に移動しかつ選択的に前記高圧側に位置しまたは切り離されるように形成された複数の排熱交換器と、
前記低圧側を通り流れる作業流体から前記高圧側を通り流れる作業流体に熱エネルギーを移動しかつ前記高圧側および低圧側に選択的に位置しまたは切り離されるように形成された複数の回収熱交換器と、
各々が前記複数の排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置するかについての選択的な制御を可能とするように駆動されるよう形成された複数の弁とを有する熱機関システム。
【請求項１３】
前記高圧側からの前記作業流体を受けて前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第２のエキスパンダをさらに有する請求項１２に記載の熱機関システム。
【請求項１４】
開成位置にあって前記第２のエキスパンダを前記高圧側と流体的に連結しまたは閉成位置にあって前記高圧側から前記第２のエキスパンダを流体的に切り離すように形成された停止弁をさらに有する請求項１３に記載の熱機関システム。
【請求項１５】
前記低圧側は、前記第２のエキスパンダから、前記複数の回収熱交換器を通り、凝縮器を通り、ポンプまでの作業流体流路を有する請求項１３に記載の熱機関システム。
【請求項１６】
前記低圧側は前記第１のエキスパンダから、前記複数の回収熱交換器の１を通り、凝縮器を通り、ポンプまでの作業流体流路を有する請求項１２に記載の熱機関システム。
【請求項１７】
前記低圧側と流体的に連結しかつ前記低圧側から前記高圧側への前記作業流体の移動を可能にするように形成されたポンプバイパス弁をさらに有する請求項１２に記載の熱機関システム。
【請求項１８】
前記作業流体回路の前記低圧側と流体的に連結しかつ熱的に伝導する回収熱交換器バスシステムをさらに有する請求項１２に記載の熱機関システム。
【請求項１９】
前記回収熱交換器バスシステムは、前記第１のエキスパンダの下流で前記作業流体回路および前記複数の回収熱交換器と流体的に連結した弁および流体ラインを有する請求項１８に記載の熱機関システム。
【請求項２０】
高圧側および低圧側を有しかつそこを通って作業流体を流すように形成された作業流体回路と、
前記高圧側から前記作業流体を受けかつ前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第１のエキスパンダと、
前記高圧側から前記作業流体を受けかつ前記作業流体での前記圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第２のエキスパンダと、
熱源流の流路に沿って直列に配置されかつ各々が熱エネルギーを前記熱源流から前記作業流体に移動しかつ前記高圧側に選択的に位置しまたは切り離されるように形成された複数の排熱交換器と、
各々が熱エネルギーを前記低圧側を通って流れる前記作業流体から前記高圧側を通って流れる前記作業流体にまで移動しかつ前記高圧側および前記低圧側に選択的に位置しまたは切り離されるように形成された複数の回収熱交換器と、
各々が複数の排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置し、かつ前記第１のエキスパンダおよび前記第２のエキスパンダのいずれが前記高圧側から前記作業流体を受けるかに関する選択的な制御を可能とするように駆動されるよう形成された複数の弁とを有する熱機関システム。
【請求項２１】
前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された凝縮器をさらに有する請求項２０に記載の熱機関システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１４年９月３日に提出された米国実用特許出願第１４／４７５,６４０号、２０１４年９月３日に提出された米国実用特許出願第１４／４７５,６７８号、２０１３年９月５日に提出された米国仮特許出願第６１／８７４,３２１号、２０１４年６月１１日に提出された米国仮特許出願第６２／０１０,７３１号、および２０１４年６月１１日に提出された米国仮特許出願第６２／０１０,７０６号に対する優先権を主張し、これらの基礎出願は全体としてここをもって、参照により本開示と矛盾しない程度において本願に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
排熱は、工業プロセス装置の作業温度を維持しようとする努力の中で、高温の液体、気体または流体の流れがその周囲に排出されまたはある方法で除去されなければならないような工業プロセスの副産物として生成されることが良くある。ある工業プロセスは、他の処理の流れを介して該プロセスに戻る排熱を捕獲しかつ再利用するために熱交換器を用いる。しかしながら、排熱の前記捕獲および再利用は、高温または不十分な質量流または他の好ましくない条件を使用する工業プロセスにより概して実行不能である。
【０００３】
したがって、排熱は、ランキンサイクルまたは他の動力サイクルのような熱力学的方法を採用する種々のタービン発電機または熱機関システムによって役に立つエネルギーに変換されることがある。ランキンサイクルおよび類似の熱力学的サイクルは典型的には、排熱を回収しかつ利用する蒸気に基づくプロセスであって、蒸気を生み出して発電機、ポンプまたは他の装置と連結したタービン、ターボまたは他のエキスパンダを駆動する。
【０００４】
有機的なランキンサイクルは、従来のランキンサイクルでの水の代わりに、より低い沸点の作業流体を使用する。典型的なより低い沸点の作業流体は、軽い炭化水素（例えば、プロパンまたはブタン）のような炭化水素と、ヒドロクロロフルオロカーボン（HCFCs）またはヒドロフルオロカーボン（HFCs）（例えば R245fa）のようなハロゲン化炭化水素とを含有する。さらに最近、より低い沸点の作業流体の熱的不安定性、毒性、引火性、および生産コストのような問題点を考慮して、いくつかの熱力学的サイクルが、アンモニアのような非炭化水素作業流体を循環させるように修正された。
【０００５】
動力サイクルまたは他の熱力学的サイクルを動かす場合に全体のシステムの効率性に影響を与える主要な要因の１つは前記熱追加工程での効率性である。不十分に設計された熱機関システムおよびサイクルは、熱から電力への変換に非効率であり、加えてその作業を実行するために大きな熱交換器を要求することがあり得る。そのようなシステムは、より高度に最適化されたシステムよりもキロワット当たり非常に高いコストで電力を届ける。そのような高い圧力および温度を取り扱うことができる熱交換器は、概して前記熱機関システムの前記全コストの大部分を占める。
【０００６】
したがって、熱エネルギーから仕事または電力を生み出す際に増進した効率性を提供するエネルギー変換のための熱機関システムおよび方法に対する需要がある。
【発明の概要】
【０００７】
１の実施の形態では、熱機関システムは、高圧側と低圧側を有しかつそこを通って作業流体を流すように形成された作業流体回路を有する。複数の排熱交換器の各々は、前記作業流体回路の、前記高圧側と流体的に連結しかつ熱的に伝導し、熱源流と流体的に連結しかつ熱的に伝導し、かつ前記熱源流から前記高圧側内で作業流体へ熱エネルギーが移動するように形成されている。複数の回収熱交換器の各々は、流体的に前記作業流体回路と連結されかつ前記作業流体回路の前記高圧側と前記低圧側との間で熱エネルギーを移動するように形成されている。第１のエキスパンダは流体的に前記作業流体回路と連結されかつ前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ前記作業流体における圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されている。第２のエキスパンダは流体的に前記作業流体回路と連結され、前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ前記作業流体における圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されている。第１のポンプは、流体的に前記作業流体回路の前記低圧側と前記高圧側との間で前記作業流体回路と連結され、かつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成されている。第１の凝縮器が前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体と熱的に伝導し、かつ前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成されている。
【０００８】
他の実施の形態にあっては、熱機関システムは高圧側および低圧側を有する作業流体回路を通して作業流体を加圧しかつ循環させるように形成されたポンプを有する。第１のエキスパンダは、前記高圧側から前記作業流体を受け入れて、前記作業流体中の圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されている。複数の排熱交換器が熱源流の流路に沿って直列に配置され、かつ前記熱源流から前記作業流体へ熱エネルギーを移動するようにかつ選択的に前記高圧側に位置づけられまたは切り離されるように形成されている。複数の回収熱交換器の各々は、前記低圧側を通って流れる前記作業流体から前記高圧側を通って流れる前記作業流体へ熱エネルギーを移動しかつ選択的に前記高圧側および前記低圧側に位置しまたは切り離されるように形成されている。複数の弁が、複数の排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、かつ前記複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置するかについての選択的な制御を可能にするように駆動されるよう形成されている。
【０００９】
他の実施の形態にあっては、熱機関システムは高圧側および低圧側を有しかつそこを通って作業流体を流すように形成された作業流体回路を有する。第１のエキスパンダは、前記高圧側から前記作業流体を受け入れて前記作業流体中の圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されている。第２のエキスパンダは前記作業流体を前記高圧側から受け入れて前記作業流体中の前記圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されている。複数の排熱交換機は熱源流の流路に沿って直列に配置されかつ前記熱源流から前記作業流体へ熱エネルギーを移動させかつ選択的に前記高圧側に位置しまたは切り離されるように形成されている。複数の回収熱交換器の各々は、前記低圧側を通って流れる前記作業流体から前記高圧側を通って流れる作業流体へ熱エネルギーを移動させかつ選択的に前記高圧側と前記低圧側に位置しまたは切り離されるように形成されている。複数の弁の各々は、複数の前記排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置し、および、前記第１のエキスパンダおよび前記第２のエキスパンダのいずれが前記高圧側から前記作業流体を受け入れるかについて選択的に制御を可能とするように駆動されるよう形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示は、添付の図面を用いて読み取る場合には、下記の詳細な説明から最も良く理解される。工業上の通常の慣例にしたがって、種々の構成要素が一定の比率に描かれていないことを強調する。実際、前記種々の構成要素の前記大きさは、考察の明瞭性のために任意に拡大されまたは縮小されている可能性がある。
【００１１】
【図１】は、選択的に設定可能な作業流体回路を有する本開示の１または２以上の実施の形態に係る熱機関システムを例示する。
【００１２】
【図２】は、選択的に設定可能な作業流体を有する本開示の１または２以上の実施の形態に係る熱機関システムを例示する。
【００１３】
【図３】は、プロセス加熱システムを有する本開示の１または２以上の実施の形態に係る熱機関システムを例示する。
【００１４】
【図４Ａ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの圧力対エンタルピーチャートである。
【００１５】
【図４Ｂ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの圧力対温度チャートである。
【００１６】
【図４Ｃ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの質量流量棒グラフである。
【００１７】
【図４Ｄ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの回収熱交換器の温度トレースチャートである。
【００１８】
【図４Ｅ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの回収熱交換器の温度トレースチャートである。
【００１９】
【図４Ｆ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの回収熱交換器の温度トレースチャートである。
【００２０】
【図４Ｇ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの排熱交換器に対する温度トレースチャートである。
【００２１】
【図４Ｈ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの排熱交換器の温度トレースチャートである。
【００２２】
【図４Ｉ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの排熱交換器の温度トレースチャートである。
【００２３】
【図４Ｊ】は、熱機関システムのある実施の形態によって生じた熱力学的サイクルでの排熱交換器の温度トレースチャートである。
【００２４】
【図５】は、図４Ａに示された前記圧力対エンタルピーチャートの一部拡大図である。
【発明の詳細な説明】
【００２５】
現在開示された実施の形態は、概して、熱エネルギーから機械エネルギーおよび／または電気エネルギーを発生するようなエネルギー変換のための熱機関システムおよび方法を提供する。より詳細には、前記開示された実施の形態は、実施に特有の考慮すべき事柄に応じたいくつかの異なる構造の１における作業流体回路の選択的な設定を可能にする熱機関システムを提供する。例えば、ある実施の形態にあっては、前記作業流体回路の前記構造は、前記熱エネルギーを前記作業流体回路に提供する前記熱源に基づいて決定されることがある。より詳細には、ある実施の形態にあっては、前記熱機関システムは、１または２以上の排熱交換器および１または２以上の回収熱交換器を通るように選択的に経路が定められることを可能にする複数の弁を含有することがあり、これによって、前記熱機関システムが前記利用可能な熱源に対し最良の状態に調整し、前記熱エネルギーの有用なパワー出力への変換における前記熱機関システムの効率性を高める。前記選択的に設定可能な作業流体回路のこれらのおよび他の構成要素はより詳細に以下に記述される。
【００２６】
ここに述べるように、前記選択的に設定可能な作業流体回路を含有する前記熱機関システムは、加熱流（例えば、排熱流）の熱エネルギーを有用な機械エネルギーおよび／または電気エネルギーに効率的に変換するように形成されている。その目的のために、いくつかの実施の形態では、前記熱機関システムは前記作業流体（例えば、二酸化炭素（CO2））を超臨界状態（例えば、sc-CO2）および／または臨界未満の状態（例えば、sub-CO2）で、前記作業流体回路内で使用することがあり、それによって１または２以上の排熱交換器により前記排熱流の熱エネルギーを捕獲しまたはそうでない場合には吸収する。前記熱エネルギーは、出力タービンによって機械エネルギーに変換され、続いて前記出力タービンに連結した発電機により電気エネルギーに変換されることがある。さらに、前記熱機関システムは、プロセス制御システムよって取り扱われるいくつかの集積化されたサブシステムを含有することがあり、それによって機械エネルギーおよび／または電気エネルギーを発生する間に前記熱機関システムの前記効率を最大化する。
【００２７】
さて、図面を開くと、図１は、制御システム１０１によって、選択的に設定することができる作業流体回路１０２を有する熱機関システム１００の実施の形態を例示し、作業流体の流路が、複数の排熱交換器１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ、複数の回収熱交換器１３０ａ，１３０ｂ、タービンまたはエキスパンダ１６０ａ，１６０ｂ、ポンプ１５０ａ、および凝縮器１４０ａの希望する組合せにより設定される。その目的のために、複数のバイパス弁１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃが設けられて、各々が選択的に開成位置または閉成位置に位置して、前記希望する部品を通して前記作業流体の経路の設定を可能とすることがある。
【００２８】
前記作業流体回路１０２は、概して、高圧側と低圧側を有し、かつ前記作業流体を前記高圧側および低圧側を通り流すように形成されている。図１の実施の形態にあっては、前記エキスパンダ１６０ａおよび１６０ｂのいずれが前記作業流体回路１０２に含まれているかに依存して、前記高圧側は前記作業流体の前記流路に沿って前記ポンプ１５０ａから、前記エキスパンダ１６０ａおよび／または前記エキスパンダ１６０ｂにまで延び、かつ、前記低圧側は前記作業流体の前記流路に沿って前記エキスパンダ１６０ａおよび／またはエキスパンダ１６０ｂから前記ポンプ１５０ａにまで延びる。いくつかの実施の形態にあっては、作業流体は、前記低圧側から前記高圧側までポンプバイパス弁１４１を介して移動することがある。
【００２９】
前記特定の実施の構成要素に依存して、前記利用可能な部品（例えば、前記排熱交換器１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび回収熱交換器１３０ａ，１３０ｂ）は、前記作業流体回路の前記高圧側と前記低圧側に対して選択的に位置し（例えば、流体的に連結され）または切り離される（例えば、流体的に連結されない）ように前記作業流体回路１０２が形成されることがある。例えば、１の実施の形態にあっては、前記制御システム１０１は、前記プロセッサ１０３を使用して前記排熱交換器１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃのいずれかおよび前記回収熱交換器１３０ａ，１３０ｂのいずれかを、前記作業流体回路１０２の前記高圧側に位置させ（例えば含め）るように決定することがある。そのような決定は、前記プロセッサ１０３によって、例えば、メモリ１０５を参照することによってなされて、前記熱機関システム１００を特定の熱源で最も効率的に動作するように調整するやり方を決定することがある。  
【００３０】
さらなる例として、ある実施の形態にあっては、前記第２のエキスパンダ１６０ｂと前記ポンプ１５０ａを連結する駆動シャフト１６２によってターボポンプが形成されることがあり、その結果前記第２のエキスパンダ１６０ｂは、前記ポンプ１５０ａを前記第２のエキスパンダ１６０ｂによって生じた前記機械エネルギーによって駆動することがある。この実施の形態にあっては、前記ポンプ１５０ａから前記第２のエキスパンダ１６０ｂまでの前記作業流体流路は、選択的に前記回収熱交換器１３０ｂと前記排熱交換器１２０ｂを前記高圧側に、前記バイパス用の弁１１６ａ，１１６ｂを開成状態に位置することで選択的に連結することによって設定されることがある。この実施の形態での前記作業流体流路は、前記ポンプ１５０ａから、前記回収熱交換器１３０ｂを通り、前記バイパス弁１１６ｂを通り、前記排熱交換器１２０ｂを通り、前記バイパス弁１１６ａを通りかつ前記第２のエキスパンダ１６０ｂまで延びる。本実施の形態での前記低圧側を通る前記作業流体流路は、前記第２のエキスパンダ１６０ｂからタービン排出ライン１７０ｂを通り、前記回収熱交換器１３０ｂを通り、前記凝縮器１４０ａを通り前記ポンプ１５０ａにまで延びる。
【００３１】
さらに、他の実施の形態にあっては、前記作業流体流路は、前記ポンプ１５０ａから前記第１のエキスパンダ１６０ａにまで、前記排熱交換器１２０ｃ、前記回収熱交換器１３０ａ、および前記排熱交換器１２０ａを流体的に高圧側に連結することによって設定されることがある。そのような実施の形態では、前記高圧側を通る前記作業流体流路は、前記ポンプ１５０ａから、前記排熱交換器１２０ｃを通り、前記バイパス弁１１６ｂを通り、前記回収熱交換機１３０ａを通り、前記バイパス弁１１６ａを通り、前記排熱交換器１２０ａを通り、前記停止または絞り弁１５８ａを通り前記第１のエキスパンダ１６０ａにまで延びる。この実施の形態での前記低圧側を通る前記作業流体流路は、前記第１のエキスパンダ１６０ａから、タービン排出ライン１７０ａを通り、前記回収熱交換器１３０ａを通り、前記回収熱交換器１３０ｂを通り、前記凝縮器１４０ａを通り、前記ポンプ１５０ａにまで延びる。
【００３２】
ここに記述された１または２以上の実施の形態にあっては、図２および図３に示されているように、前記作業流体回路１０２の前記調整可能性は、追加の排熱交換器１３０ｃ、追加のバイパス弁１１６ｄ、複数の凝縮器１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ、および複数のポンプ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを設けることによってさらに増加することがある。加えて、この実施の形態にあっては、前記第１および第２のエキスパンダ１６０ａ，１６０ｂの各々は、前記停止または絞り弁１５８ａ，１５８ｂを介して前記作業流体回路１０２と流体的に連結されまたは切り離される、前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ前記作業流体中の圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されることがある。現在目論んでいる実施の形態は、任意の個数の排熱交換器、任意の個数の回収熱交換器、任意の個数の弁、任意の個数のポンプ、任意の個数の凝縮器、および任意の個数のエキスパンダを含有することがあり、図１−３に示されたものに限定されない。実際、例示された実施の形態におけるそのような部品の数量は、単に例であって、この部品の任意の適当な数量が、他の実施の形態においては提供されることがある。
【００３３】
１の実施の形態にあっては、前記複数の排熱交換器１２０ａ−１２０ｄは、前記第１の排熱交換器１２０ａ、前記第２の排熱交換器１２０ｂ、前記第３の排熱交換器１２０ｃおよび第４の排熱交換器１２０ｄのような４以上の排熱交換器を含有することがある。前記排熱交換器１２０ａ−１２０ｄの各々は、前記制御システム１０１によって決定されたように、前記作業流体回路１０２の前記高圧側と選択的に流体的に連結しかつ熱伝導状態に置かれて、前記作業流体回路を、特定の応用の要求に対し調整することがある。前記排熱交換器１２０ａ−１２０ｄの各々は、熱源流１１０と流体的に連結されかつ熱的に伝導するように形成され、かつ前記熱源流１１０から前記高圧側内の前記作業流体に熱エネルギーを移動するように形成されることがある。前記排熱交換器１２０ａ‐１２０ｄは前記熱源流１１０の流れの前記方向に沿って直列に配置されることがある。１の構造にあっては、前記作業流体回路１０２を通る前記作業流体の前記流れに関して、前記第２の排熱交換器１２０ｂは、前記第１の排熱交換器１２０ａの上流に配置されることがあり、前記第３の排熱交換器１２０ｃは、前記第２の排熱交換器１２０ｂの上流に配置されることがあり、かつ、前記第４の排熱交換器１２０ｄは、前記第３の排熱交換器１２０ｃの上流に配置されることがある。
【００３４】
いくつかの実施の形態にあっては、前記複数の回収熱交換器１３０ａ−１３０ｃは、前記第１の回収熱交換器１３０ａ、第２の回収熱交換器１３０ｂ、および第３の回収熱交換器１３０ｃのような３以上の回収熱交換器を含有することがある。前記回収熱交換器１３０ａ−１３０ｃの各々は、前記作業流体回路１０２と選択的に流体的に連結され、かつ前記作業流体回路１０２と流体的に連結した際に、前記作業流体回路１０２の前記高圧側と前記低圧側との間で熱エネルギーを移動するように形成されていることがある。１の実施の形態にあっては、前記回収熱交換器１３０ａ−１３０ｃは、前記第２のエキスパンダ１６０ｂの上流で前記作業流体回路１０２の前記高圧側で直列に配置されることがある。前記第２の回収熱交換器１３０ｂは前記第１の回収熱交換器１３０ａの上流に配置されることがあり、かつ前記第３の回収熱交換器１３０ｃは、前記高圧側の前記第２の回収熱交換器１３０ｂの上流に配置されることがある。
【００３５】
１の実施の形態にあっては、前記第１の回収熱交換器１３０ａ、前記第２の回収熱交換器１３０ｂ、および前記第３の回収熱交換器１３０ｃは、前記作業流体回路１０２の前記低圧側で直列に配置されることがあり、その結果前記第２の回収熱交換器１３０ｂは、前記第１の回収熱交換器１３０ａの下流に配置されることがあり、かつ前記第３の回収熱交換器１３０ｃは前記低圧側で前記第２の回収熱交換機１３０ｂの下流に配置されることがある。前記第１の回収熱交換器１３０ａは、前記低圧側で前記第１エキスパンダ１６０ａの下流に配置されることがあり、前記第２の回収熱交換器１３０ｂは、前記低圧側で前記第２のエキスパンダ１６０ｂの下流に配置されることがある。
【００３６】
前記熱源流１１０は、限定されるわけではないが、ガスタービン排気流、工業プロセス排気流、または、熱源１０８から来るまたは引き出された炉またはボイラー排気流のような他の種類の燃焼生成排気流のような排気熱流のことがある。いくつかの実施の形態にあっては、前記熱源１０８は、ガスタービン動力／電力発生器またはガスタービンジェットエンジンのようなガスタービンのことがあり、かつ前記熱源流１１０は、前記ガスタービンからの前記排気流のことがある。前記熱源流１１０は、約100℃から約1000℃までの範囲内の温度、または1000℃よりも高い温度にあり、かついくつかの実施の形態にあっては、約200℃から約800℃の範囲内、より狭くは約300℃から約600℃の範囲内にある。前記熱源流１１０は、エア、二酸化炭素、一酸化炭素、水または水蒸気、窒素、酸素、アルゴン、それらの誘導体またはそれらの混合物を含有することがある。いくつかの実施の形態にあっては、前記熱源流１１０は、太陽熱または地熱資源のような熱エネルギーの再生可能資源から熱エネルギーを引き出すことがある。
【００３７】
前記熱機関システム１００もまた少なくとも１の凝縮器１４０ａ、および少なくとも１のポンプ１５０ａを含有するが、いくつかの実施の形態にあっては、複数の凝縮器１４０ａ−１４０ｃおよび複数のポンプ１５０ａ−１５０ｃを含有することがある。第１の凝縮器１４０ａは、前記作業流体回路１０２の前記低圧側で前記作業流体と熱的に伝導していることがあり、かつ前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成されていることがある。第１のポンプ１５０ａは、流体的に前記作業流体回路１０２の前記低圧側と前記高圧側との間で前記作業流体回路１０２と流体的に連結され、かつ前記作業流体回路１０２内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成されることがある。前記第１のポンプ１５０ａは、前記作業流体回路１０２内の前記作業流体の質量流量、圧力または温度を制御するように形成されることがある。
【００３８】
他の実施の形態にあっては、前記第２の凝縮器１４０ｂおよび前記第３の凝縮器１４０ｃは、各々独立に前記作業流体回路１０２の前記低圧側で前記作業流体と流体的に連結しかつ熱的に伝導し、かつ前記作業流体回路１０２の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成されている。また、第２のポンプ１５０ｂおよび第３のポンプ１５０ｃは、各々独立に前記作業流体回路１０２の前記低圧側と流体的に連結されかつ前記作業流体回路１０２内の前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成されることがある。前記第２のポンプ１５０ｂは、前記第１のポンプ１５０ａの上流であって前記第３のポンプ１５０ｃの下流に前記作業流体回路１０２を通る前記作業流体の流れ方向に沿って配置されることがある。１の実施の形態にあっては、前記第１のポンプ１５０ａは循環ポンプであり、前記第２のポンプ１５０ｂは、コンプレッサーで置き換えられ、前記第３のポンプ１５０ｃは、コンプレッサーで置き換えられている。
【００３９】
いくつかの実施の形態にあっては、前記第３のポンプ１５０ｃは、第１段コンプレッサーで置き換えられ、前記第２のポンプ１５０ｂは、第２段コンプレッサーで置き換えられ、前記第１のポンプ１５０ａは、第３段ポンプで置き換えられる。前記第２の凝縮器１４０ｂは、前記作業流体回路１０２を通る作業流体の前記流れ方向に沿って前記第１の凝縮器１４０ａの上流で前記第３の凝縮器１４０ｃの下流に配置されることがある。他の実施の形態にあっては、前記熱機関システム１００は、第１、第２および第３のポンプ／凝縮器段のような３段のポンプおよび凝縮器を含有する。前記第１のポンプ／凝縮器段は、前記第３のポンプ１５０ｃの上流で前記作業流体回路１０２と流体的に連結した第３の凝縮器１４０ｃを含有することがあり、前記第２のポンプ／凝縮器段は、前記第２のポンプ１５０ｂの上流で前記作業流体回路１０２と流体的に連結された前記第２の凝縮器１４０ｂを含有し、かつ、前記第３のポンプ／凝縮器段は、前記第１のポンプ１５０ａの上流で前記作業流体回路１０２に流体的に連結した前記第１の凝縮器１４０ａを含有することがある。
【００４０】
いくつかの実施例にあっては、前記熱機関システム１００は前記第１のポンプ１５０ａ、前記第２のポンプ１５０ｂ、および／または前記第３のポンプ１５０ｃと連結した可変周波数駆動装置を含有することがある。前記可変周波数駆動装置は、前記作業流体回路１０２内の前記作業流体の質量流量、圧力または温度を制御するように形成されることがある。他の実施例にあっては、前記熱機関システム１００は、前記第１のポンプ１５０ａ、前記第２のポンプ１５０ｂ、または前記第３のポンプ１５０ｃと連結した駆動タービンを含有することがある。前記駆動タービンは、前記作業流体回路１０２内の前記作業流体の質量流量、圧力、または温度を制御するように形成されることがある。前記駆動タービンは、第１のエキスパンダ１６０ａ、前記第２のエキスパンダ１６０ｂ、他のエキスパンダまたはタービン、またはこれらの組み合わせのことがある。
【００４１】
他の実施の形態にあっては、前記駆動シャフト１６２は、前記第１のエキスパンダ１６０ａおよび前記第２のエキスパンダ１６０ｂと連結されることがあり、その結果前記駆動シャフト１６２は、前記第１のエキスパンダ１６０ａおよび前記第２のエキスパンダ１６０ｂの前記組み合わせによって生成されまたはそうでなければ発生した前記機械エネルギーで装置を駆動するように形成されることがある。いくつかの実施の形態にあっては、前記装置は、前記ポンプ１５０ａ−１５０ｃ，コンプレッサー、発電機１６４、交流発電機またはこれらの組み合わせのことがある。１の実施の形態にあっては、前記熱機関システム１００は、前記駆動シャフト１６２によって前記第１のエキスパンダ１６０ａに連結した前記発電機１６４または交流発電機を含有することがある。前記発電機１６４または前記交流発電機は、前記第１のエキスパンダ１６０ａによって生成した前記機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように形成されることがある。他の実施の形態にあっては、前記駆動シャフト１６２は、前記第２のエキスパンダ１６０ｂおよび前記第１のポンプ１５０ａと連結されて、前記第２のエキスパンダ１６０ｂが、前記第２のエキスパンダ１６０ｂによって生じた前記機械エネルギーにより前記第１のポンプ１５０ａを駆動するように形成されることがある。
【００４２】
他の実施の形態にあっては、図３に示されているように、前記熱機関システム１００は、前記作業流体回路１０２の前記低圧側と流体的に連結されかつ熱的に伝導するプロセス加熱システム２３０を含有することがある。前記プロセス加熱システム２３０は、前記低圧側と連結しかつ前記制御システム１０１の制御下にある流体ライン２３２に動作可能に配置されたプロセス熱交換器２３６および制御弁２３４を含有することがある。前記プロセス熱交換器２３６は、前記作業流体回路１０２の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを前記プロセス熱交換器２３６を通して流れる熱伝導流体に移動するように形成されることがある。いくつかの実施例にあっては、前記プロセス熱交換機２３６は、前記作業流体回路１０２の前記低圧側で前記作業流体から、加熱されたメタン流体を形成する予熱工程の間にメタンに熱エネルギーを移動するように形成されることがある。前記熱エネルギーは、前記メタン流体に、直接的に移動しまたは間接的に（例えば、熱伝導流体を介して）移動することがある。前記熱源流１１０は、ガスタービン発電機のような前記加熱されたメタンを燃焼するように形成された前記熱源１０８から引き出されることがある。
【００４３】
他の実施の形態にあっては、図３に示されているように、前記熱機関システム１００は、前記作業流体回路１０２の前記低圧側と流体的に連結しかつ熱的に伝導する回収熱交換器バスシステム２２０を含有することがある。前記回収熱交換器バスシステム２２０は、前記第１のエキスパンダ１６０ａおよび／または前記第２のエキスパンダ１６０ｂの下流で前記凝縮器１４０ａの上流で前記作業流体回路１０２と流体的に連結した、タービン排気ライン１７０ａ，１７０ｂ、制御弁１６８ａ，１６８ｂ、バイパスライン２１０およびバイパス弁２１２、流体ライン２２２，２２４、および他のラインおよび弁を含有することがある。概して、前記回収熱交換器バスシステム２２０は、前記第１のエキスパンダ１６０ａおよび／または前記第２のエキスパンダ１６０ｂから前記複数の回収熱交換器１３０ｂａ−１３０ｃまで、かつさらに前記低圧側の下流にまで延びる。１の実施例にあっては、流体ライン２２２の１の端は、流体的に前記タービン排気ライン１７０ｂと連結することがあり、かつ該流体ライン２２２の他の端は前記回収熱交換器１３０ｃの下流で前記凝縮器１４０ｃの上流に配置された前記作業流体回路１０２のある点と流体的に連結することがある。他の実施の形態にあっては、流体ライン２２４の一端は前記タービン排気ライン１７０ｂ、前記流体ライン２２２または前記プロセス加熱ライン２３２と流体的に連結することがあり、かつ前記流体ライン２２４の前記他端は、前記低圧側で、前記回収熱交換器１３０ｂの下流で前記回収熱交換器１３０ｃの上流に配置された前記作業流体回路１０２のあるポイントと流体的に連結されることがある。
【００４４】
いくつかの実施の形態にあっては、前記熱機関システム１００の前記作業流体回路１０２で、循環し、流れ、またはそうでなければ使用されることがある作業流体の前記種類は、酸化炭素類、炭化水素類、アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、ハロゲン化炭化水素類、アンモニア、アミン類、水またはこれらの組み合わせを含有する。前記熱機関システム１００で使用されることがある典型的な作業流体は、二酸化炭素、アンモニア、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン、アセチレン、メタノール、エタノール、アセトン、メチル・エチル・ケトン、水、これらの誘導体、またはこれらの混合物を含有する。ハロゲン化炭化水素は、ヒドロクロロフルオロカーボン（HCFCs）、ヒドロフルオロカーボン（HFCS）（例えば、1,1,1,3,3‐5フッ化プロパン（R245fa））、フルオロカーボン、これらの誘導体またはこれらの混合物を含有することがある。
【００４５】
ここに記述された多くの実施の形態にあっては、前記熱機関システム１００の前記作業流体回路１０２でおよびここに開示された他の例示的な回路で循環し、流れまたはそうでなければ使用される前記作業流体は、二酸化炭素（CO２）、および二酸化炭素を含有する混合物であり、または含有することがある。概して、前記作業流体回路１０２の少なくとも一部は、超臨界状態（例えば、sc-CO2）にある作業流体を含有する。前記作業流体として使用されまたは動力発生サイクルでの前記作業流体内に含まれる二酸化炭素は、作業流体として典型的に使用される他の化合物よりも多くの利点を有している。なぜならば、二酸化炭素は、非毒性で不燃性の性質を有し、また簡単に手に入りかつ比較的低価格であるからでもある。二酸化炭素の比較的高い作業圧力に一部起因して、二酸化炭素システムは、他の作業流体を使用するシステムよりもより一層小型のことがある。他の作業流体に関する二酸化炭素の前記高い密度および容積測定の熱容量は、二酸化炭素を、全システムの部品の前記大きさが、性能を損なうことなくかなり削減することができることを意味するより一層「エネルギーの濃い」状態にしている。前記語句二酸化炭素（CO2）、超臨界二酸化炭素（sc-CO2）、または臨界未満二酸化炭素（sub-CO2）の使用は、任意の特別な種類、産地、純度、または等級に限定される意図はない。例えば、工業的等級の二酸化炭素が、前記開示の範囲を逸脱することなく前記作業流体に含まれおよび／または作業流体として使用されることがある。
【００４６】
他の例示的な実施の形態にあっては、前記作業流体回路１０２での前記作業流体は、２成分の、３成分の、または他の作業流体混合物のことがある。前記作業流体混合物または組合せは、ここに記述されているように、熱回収システム内で前記流体の組合せによって獲得された前記特有の属性のために選択されることができる。例えば、流体の組合せのようなものは、二酸化炭素を加圧するために要求されるよりもより小さいエネルギーの入力で前記組み合わされた流体が高圧の液体状態にポンプで汲み上げることを可能にする液体吸収剤と二酸化炭素との混合物を含有する。他の例示的な実施の形態では、前記作業流体は、二酸化炭素（例えば、sub-CO2またはsc-CO2）および１以上の他の混和性のある流体または化合物の組合せのことがある。さらに他の例示的な実施の形態にあっては、前記作業流体は、本開示の範囲を逸脱することなく、二酸化炭素とプロパンまたは二酸化炭素とアンモニアの組合せのことがある。
【００４７】
前記作業流体回路１０２は、概して、高圧側および低圧側を有しかつ前記作業流体回路１０２内で循環する作業流体を含有する。前記語句「作業流体」の前記使用は、前記作業流体の物質の前記状態または相を限定する意図はない。例えば、前記作業流体または該作業流体の一部は、前記熱機関システム１００または熱力学的サイクル内の任意の１以上の点において、液相、気相、流体相、臨界未満状態、超臨界状態、または任意の他の相または状態にあることがある。動作開始の間のような１以上の実施の形態にあっては、前記作業流体は、前記熱機関システム１００の前記作業流体回路１０２（例えば、高圧側）のある部分に対して超臨界状態にあり、前記熱機関システム１００の前記作業流体回路１０２の他の部分（例えば、低圧側）に対して臨界未満の状態にある。他の実施の形態にあっては、前記全体の熱力学的サイクルが作動して、前記作業流体は、前記熱機関システム１００の前記全体の作業流体回路１０２を通して超臨界状態に維持される。
【００４８】
ここに開示された実施の形態にあっては、広く、前記作業流体回路１０２の前記高圧側は前記ポンプ１５０ａ，１５０ｂ、または１５０ｃのいずれかの下流であって、前記エキスパンダ１６０ａ、または１６０ｂのいずれかの上流に配置されることがあり、前記作業流体回路１０２の前記低圧側は、前記エキスパンダ１６０ａまたは１６０ｂのいずれかの下流であって前記ポンプ１５０ａ，１５０ｂまたは１５０ｃのいずれかの上流であって、利用可能な熱源の前記種類、温度、圧力、流量、および各個々のポンプ１５０ａ，１５０ｂまたは１５０ｃがポンプであるのかまたはコンプレッサーであるのか含有するプロセス条件等のような実施に特有の考慮すべき事柄に依存する。１の例示的な実施の形態にあっては、前記ポンプ１５０ｂおよび１５０ｃは、コンプレッサーによって置き換えられ、前記ポンプ１５０ａはポンプであり、前記作業流体回路１０２の前記高圧側は、前記ポンプ１５０ａの排気出口のような前記ポンプ１５０ａの下流で始まり、かつ前記エキスパンダ１６０ａまたは１６０ｂのいずれかで終わることがあり、前記作業流体回路１０２の前記低圧側は、前記エキスパンダ１６０ａまたは１６０ｂのいずれかの下流で始まり、前記ポンプ１５０ａの前記入口のような前記ポンプ１５０ａの上流で終わることがある。
【００４９】
概して、前記作業流体回路１０２の前記高圧側は、約15MPa以上であって、約17MPa以上または約20MPa以上、または約25MPa以上、または約27MPa以上の圧力にある作業流体（例えば、sc-CO2）を含有する。いくつかの実施例にあっては、前記作業流体回路１０２の前記高圧側は、約15MPaから約40MPaまでの範囲内、より狭くは、約20MPaから約35MPaの範囲内、さらにより狭くは、約27MPaのような約25MPaから約30MPaの範囲内の圧力を有することがある。
【００５０】
前記作業流体回路１０２の前記低圧側は、約12MPa以下、または約10MPa以下のような約15MPa未満の圧力にある前記作業流体（例えば、CO2またはsub-CO2）を含有する。いくつかの実施の形態にあっては、前記作業流体回路１０２の前記低圧側は、約1MPaから約10MPa、より狭くは約2MPaから約8MPaまでの範囲内、さらに狭くは、約5MPaのような約4MPaから約6MPaの範囲内の圧力を有する場合がある。
【００５１】
前記熱機関システム１００は、さらに前記エキスパンダ１６０ａ、前記エキスパンダ１６０ｂ、および前記駆動シャフト１６２を含有する。前記エキスパンダ１６０ａ，１６０ｂの各々は、流体的に前記作業流体回路１０２と連結して前記高圧と低圧側の間に配置されかつ前記作業流体の圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成されることがある。前記駆動シャフト１６２は、前記エキスパンダ１６０ａ、前記エキスパンダ１６０ｂ、または該エキスパンダ１６０ａ，１６０ｂの両方と連結されることがある。前記駆動シャフト１６２は、発電機または交流発電機（例えば、発電機１６４）、モータ、発電機／モータ装置、ポンプまたはコンプレッサー（例えば、前記ポンプ１５０ａ−１５０ｃ）、および／または他の装置のような１以上の装置を前記発生した機械エネルギーにより駆動するように形成されることがある。
【００５２】
前記発電機１６４は、発電機、交流発電機（例えば、永久磁石交流発電機）、または、前記駆動シャフト１６２および１以上のエキスパンダ１６０ａ，１６０ｂからの機械エネルギーを電気エネルギーに変換することによるような電気エネルギーを発生する他の装置のことがある。パワーコンセント（図示せず）が、前記発電機１６４と電気的に連結して、前記発電機１６４から配電網１６６まで発生した電気エネルギーを移動するように形成されることがある。前記配電網１６６は、配電網、電気的バス（例えば、プラントバス）、パワー電子機器、他の電気回路またはこれらの組合せのことがあり、またはこれらを含有することがある。前記配電網１６６は、概して、少なくとも１の交流バス、交流配電網、交流回路、またはこれらの組合せを含有する。１の実施例では、前記発電機１６４は、１の発電機であって、前記パワーコンセントを介して前記配電網１６６と電気的かつ動作可能に連結している。他の実施例にあっては、前記発電機１６４は交流発電機であって、前記パワーコンセントを介して、パワー電子機器（図示せず）と電気的かつ動作可能に連結している。他の実施例にあっては、前記発電機１６４は前記パワーコンセントと電気的に接続しているパワー電子機器と電気的に接続している。
【００５３】
前記熱機関システム１００は、さらに、少なくとも１のポンプ／コンプレッサーおよび少なくとも１の凝縮器／冷却器を含有するが、ある実施の形態は概して複数の凝縮器１４０ａ−１４０ｃ（例えば、凝縮器または冷却器）およびポンプ１５０ａ−１５０ｃ（例えば、ポンプまたはコンプレッサー）を含有する。前記凝縮器１４０ａ−１４０ｃの各々は、独立した凝縮器または冷却器のことがあり、かつ独立したガス冷却（例えば、エア、窒素、または二酸化炭素）または液体冷却（例えば、水、溶媒、またはこれらの混合物）のことがある。前記ポンプ１５０ａ−１５０ｃの各々は、独立したポンプのことがあり、またはコンプレッサーで置き換えられることがあり、かつ独立して前記作業流体回路１０２の前記低圧側と高圧側との間で前記作業流体回路１０２と流体的に連結されることがある。また、前記ポンプ１５０ａ−１５０ｃの各々は、前記作業流体回路１０２内で、前記作業流体を循環させおよび／または加圧するように形成されることがある。前記凝縮器１４０ａ−１４０ｃは、前記作業流体回路１０２で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路１０２の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成されることがある。
【００５４】
前記作業流体は、前記ポンプ１５０ａから出た後、前記エキスパンダ１６０ａおよび／または前記エキスパンダ１６０ｂに入る前に、前記排熱交換器１２０ａ−１２０ｄおよび／または前記回収熱交換器１３０ａ−１３０ｃを通り流れることがある。一連の弁およびライン（例えば、導管または管路）は、前記バイパス弁１１６ａ−１１６ｄ、前記停止または制御弁１１８ａ−１１８ｄ、前記停止または制御弁１２８ａ−１２８ｃ、および前記停止または絞り弁１５８ａ，１５８ｂを含有し、開成位置および閉成位置を変化させることに使用されて、前記排熱交換器１２０ａ−１２０ｄおよび／または前記回収熱交換器１３０ａ−１３０ｃを通る前記作業流体の流れを制御することがある。したがって、そのような弁は、前記エキスパンダ１６０ａおよび／またはエキスパンダ１６０ｂに入る前記作業流体の前記温度の制御および調整を提供することがある。前記弁は、制御可能で固定された（口部が）、切換え弁、３方向弁であり、またはいくつかの実施の形態では除去されることがある。同様にして、追加の部品の各々（例えば、追加の排熱交換器および回収熱交換器はある実施の形態では使用されまたは除去されることがある）。例えば、回収熱交換器１３０ｂは、ある応用には使用されないことがある。
【００５５】
前記共通軸または駆動シャフト１６２は他の実施の形態では、２以上のシャフトが前記ポンプ１５０ａ−１５０ｃ、前記エキスパンダ１６０ａ，１６０ｂ、前記発電機１６４、および／または他の部品とともに使用されまたは独立に使用されることがある。１の実施例では、前記エキスパンダ１６０ｂおよび前記ポンプ１５０ａは、共通のシャフトを共有しており、前記エキスパンダ１６０ａおよび前記発電機１６４は他の共通のシャフトを共有している。他の実施例にあっては、前記エキスパンダ１６０ａ，１６０ｂ、前記ポンプ１５０ａおよび前記発電機１６４は、駆動シャフト１６２のような共通のシャフトを共有している。前記他のポンプもまた、前記シャフトと結び付けられることがある。他の実施の形態では、前記プロセス加熱システム２３０は閉回路のことがあり、熱エネルギーを熱源の燃料、例えば、予熱燃料（例えば、メタン）をもったガスタービン、プロセス蒸気または他の流体に提供する。
【００５６】
図４Ａ−４Ｊおよび図５は、本開示の１以上の実施の形態に係る図１−３に示された前記熱機関システム１００によって生じた熱力学的サイクルに対する、圧力対エンタルピーチャート、温度トレースチャート、および回収熱交換器温度トレースチャートを例示する。より具体的には、図４Ａは前記熱機関システム１００によって生じた熱力学的サイクルに対する圧力対エンタルピーチャート３００であり、図４Ｂは、前記熱力学的サイクルに対する圧力対温度チャート３０２であり、図４Ｃは、前記熱力学的サイクルに対する質量流量棒グラフ３０４である。図４Ｄ、図４Ｅおよび図４Ｆは、各々、温度トレースチャート３０６，３０８および３１０であって、前記熱機関システム１００によって生じた熱力学的サイクルにおける前記回収熱交換器１３０ａ、前記回収熱交換器１３０ｂ、および前記回収熱交換器１３０ｃに対するものである。図４Ｇ、図４Ｈ、図４Ｉおよび図４Ｊは、各々、前記熱力学的サイクルにおける、温度トレースチャート３１２，３１４，３１６および３１８であって、各々、前記排熱交換器１２０ａ，前記排熱交換器１２０ｂ、前記排熱交換器１２０ｃ、および前記排熱交換器１２０ｄに対するものである。
【００５７】
図５は、図４Ａに示した前記圧力対エンタルピーチャート３００の一部３２０の拡大図である。前記圧力対エンタルピーチャートは前記熱機関システム１００の前記熱力学的サイクルに対する標識をした複数の状態点を示す。１の実施の形態にあっては、前記記載された熱力学的パワーサイクルは、周囲の温度が上昇するにつれて回収熱交換器のより大きな使用を含有することがあり、それによって高価な排熱交換器の前記使用を最小限化しかつある周囲の状況に対する前記正味のシステム出力パワーを増大させる。
【００５８】
本開示は、本開示の種々の構成要素、構造または機能を実施するためのいくつかの例示的な実施の形態を記述することが理解されるべきである。構成部分、配列および構造の例示的な実施の形態がここに記述されて本開示を単純化しているけれども、これらの例示的な実施の形態は、単に例として提供されて本開示の前記範囲を限定する意図はない。加えて、本開示は、種々の例示的な実施の形態においてここに提供された図面に亘って、参照符号および／または文字を繰り返すことがある。この繰り返しは、平易さおよび明瞭さのためであって種々の図面において取り上げられている種々の例示的な実施の形態および／または構造の間の関係を述べているものではない。さらに、本開示において第２の構成要素の上方またはそれに接触した第１の構成要素の前記構成は、前記第１および第２の構成要素が直接的に接触するように形成された実施の形態を含有することがあり、また、追加の構成要素が前記第１および第２の構成要素間に挿入するように形成されることがある。その結果前記第１および第２の構成要素は直接的に接触していないことがある。最後に、ここに記述された前記例示的な実施の形態は、任意の方法で組み合わされることがある。すなわち、本開示の前記範囲から逸脱することなく、１の例示的な実施の形態から任意の要素が他の任意の例示的な実施の形態で使用されることがある。
【００５９】
加えて、ある種の語句は、記載された説明および請求の範囲を通じて使用されて、特定の構成部分に言及する。いわゆる当業者が認めるように、種々の団体が、異なる名称によって、同一の構成部分を言及することがあり、そうであるので、ここに記載された前記要素に対する命名の伝統的手法は、ここでそうでないように特に規定しない限りは、本開示の前記範囲を制限する意図はない。さらに、ここで用いられた前記命名の伝統的手法は、名称において異なるが機能において異ならない構成部分間を識別する意図はない。加えて、記載された説明および請求の範囲において、前記語句「含有すること」、「含むこと」および「有すること」は、開放型様式で使用され、したがって、「（それ）を有するが、（それ）に限定されない」ことを意味するように解釈すべきである。本開示での全ての数値は、もしそうでないと特に記述しない限りは、厳密または近似的な値である可能性がある。したがって、本開示の種々の実施の形態は、前記意図した範囲から逸脱することなく、ここに開示された前記数値、値および範囲から外れることがある。さらに、前記請求の範囲または明細書で使用されているように、前記語句「または」は、排他的および包括的な場合の両方を含有するように意図している。すなわち、「ＡまたはＢ」は、そうでないようにここに明示していない限りは、「ＡおよびＢの内の少なくとも１つ」と同義語であることを意図している。
【００６０】
前述のことはいくつかの実施の形態の構成要素を概略したので、いわゆる当業者が本開示をより良く理解することができるであろう。いわゆる当業者は、ここに導入された前記実施の形態と同一の目的を実行しおよび／または同じ利益を達成するために他の工程および構造を設計しまたは変更するための基礎として本開示を喜んで使用することがあることを承認すべきである。いわゆる当業者は、また、そのような等価な構造が、本開示の前記主旨および範囲を逸脱することがなく、かつ彼らが、本開示の前記主旨および範囲を逸脱することなく種々の変更、置き換え、および代替を行うことがあることも十分に理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図４Ｊ】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月1日(2015.4.1)
【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】
高圧側および低圧側を有しかつそこを通って作業流体を流すように形成された作業流体回路と、
複数の排熱交換器と、
複数の回収熱交換器と、
前記作業流体回路と流体的に連結され、前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ、前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第１のエキスパンダと、
前記作業流体回路と流体的に連結され、前記高圧側と前記低圧側との間に配置され、かつ、前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第２のエキスパンダと、
前記作業流体回路の前記高圧側と前記低圧側との間で前記作業流体回路と流体的に連結しかつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成された第１のポンプと、
前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体と熱的に伝導するように形成されかつ前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された第１の凝縮器とを有し、
前記排熱交換器の各々は、前記作業流体回路の前記高圧側と流体的に連結されかつ熱的に伝導し、熱源流と流体的に連結しかつ熱的に伝導し、かつ前記高圧側内で前記熱源流から前記作業流体に熱エネルギー移動するように形成され、
前記回収熱交換器の各々は、前記作業流体回路と流体的に連結されかつ熱エネルギーを前記作業流体回路の前記高圧側と前記低圧側との間で移動するように形成されるとともに、
前記作業流体回路と流体的に連結されかつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成された第２のポンプと、
前記作業流体回路で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された第２の凝縮器と、
前記作業流体回路と流体的に連結しかつ前記作業流体回路内で前記作業流体を循環させまたは加圧するように形成された第３のポンプと、
前記作業流体回路で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された第３の凝縮器とをさらに有する熱機関システム。
【請求項２】
前記複数の排熱交換器は前記第１のエキスパンダまたは第２のエキスパンダの上流で前記作業流体回路の前記高圧側で直列に配置された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項３】
前記複数の回収熱交換器は、前記第１のエキスパンダまたは前記第２のエキスパンダの上流で前記作業流体回路の前記高圧側で直列に配置された請求項１に記載の熱機関システム。        
【請求項４】
前記複数の回収熱交換器は、前記第１のエキスパンダまたは前記第２のエキスパンダの下流で前記作業流体回路の前記低圧側で直列に配置された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項５】
第１の回収熱交換器は、前記低圧側で前記第１のエキスパンダの下流に配置され、第２の回収熱交換器は、前記低圧側で前記第２のエキスパンダの下流に配置された請求項４に記載の熱機関システム。
【請求項６】
駆動シャフトによって前記第１のエキスパンダと連結した発電機または交流発電機をさらに有し、前記発電機または前記交流発電機は、前記機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように形成された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項７】
前記第１のエキスパンダおよび前記第２のエキスパンダと連結した駆動シャフトをさらに有し、前記駆動シャフトは、前記第１のポンプ、コンプレッサー、発電機、交流発電機またはこれらの組合せを前記機械エネルギーで駆動するように形成された請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項８】
前記作業流体回路の前記低圧側と流体的に連結しかつ熱的に伝導するプロセス加熱システムをさらに有する請求項１に記載の熱機関システム。
【請求項９】
前記プロセス加熱システムは、前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを前記プロセス熱交換器を通して流れる熱移動流体に移動するように形成されたプロセス熱交換器を有する請求項８に記載の熱機関システム。
【請求項１０】
前記プロセス熱交換器は、予熱工程の間に前記作業流体回路の前記低圧側で熱エネルギーを前記作業流体からメタンを有する流体に移動して加熱メタン流を形成するように形成され、前記熱源流は前記加熱メタン流を燃焼するように形成された熱源から引き出される請求項９に記載の熱機関システム。
【請求項１１】
高圧側および低圧側を有する作業流体回路を通して作業流体を加圧しかつ循環するように形成されたポンプと、
前記高圧側から前記作業流体を受け入れかつ前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第１のエキスパンダと、
熱源流の流路に沿って直列に配置され各々が熱エネルギーを前記熱源流から前記作業流体に移動しかつ選択的に前記高圧側に位置しまたは切り離されるように形成された複数の排熱交換器と、
前記低圧側を通り流れる作業流体から前記高圧側を通り流れる作業流体に熱エネルギーを移動しかつ前記高圧側および低圧側に選択的に位置しまたは切り離されるように形成された複数の回収熱交換器と、
各々が前記複数の排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置するかについての選択的な制御を可能とするように駆動されるよう形成された複数の弁とを有する熱機関システム。
【請求項１２】
前記高圧側からの前記作業流体を受けて前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第２のエキスパンダをさらに有する請求項１１に記載の熱機関システム。
【請求項１３】
開成位置にあって前記第２のエキスパンダを前記高圧側と流体的に連結しまたは閉成位置にあって前記高圧側から前記第２のエキスパンダを流体的に切り離すように形成された停止弁をさらに有する請求項１２に記載の熱機関システム。
【請求項１４】
前記低圧側は、前記第２のエキスパンダから、前記複数の回収熱交換器を通り、凝縮器を通り、ポンプまでの作業流体流路を有する請求項１２に記載の熱機関システム。
【請求項１５】
前記低圧側は前記第１のエキスパンダから、前記複数の回収熱交換器の１を通り、凝縮器を通り、ポンプまでの作業流体流路を有する請求項１１に記載の熱機関システム。
【請求項１６】
前記低圧側と流体的に連結しかつ前記低圧側から前記高圧側への前記作業流体の移動を可能にするように形成されたポンプバイパス弁をさらに有する請求項１１に記載の熱機関システム。
【請求項１７】
前記作業流体回路の前記低圧側と流体的に連結しかつ熱的に伝導する回収熱交換器バスシステムをさらに有する請求項１１に記載の熱機関システム。
【請求項１８】
前記回収熱交換器バスシステムは、前記第１のエキスパンダの下流で前記作業流体回路および前記複数の回収熱交換器と流体的に連結した弁および流体ラインを有する請求項１７に記載の熱機関システム。
【請求項１９】
高圧側および低圧側を有しかつそこを通って作業流体を流すように形成された作業流体回路と、
前記高圧側から前記作業流体を受けかつ前記作業流体での圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第１のエキスパンダと、
前記高圧側から前記作業流体を受けかつ前記作業流体での前記圧力降下を機械エネルギーに変換するように形成された第２のエキスパンダと、
熱源流の流路に沿って直列に配置されかつ各々が熱エネルギーを前記熱源流から前記作業流体に移動しかつ前記高圧側に選択的に位置しまたは切り離されるように形成された複数の排熱交換器と、
各々が熱エネルギーを前記低圧側を通って流れる前記作業流体から前記高圧側を通って流れる前記作業流体にまでを移動しかつ前記高圧側および前記低圧側に選択的に位置しまたは切り離されるように形成された複数の回収熱交換器と、
各々が複数の排熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、前記複数の回収熱交換器のいずれが前記高圧側に位置し、複数の回収熱交換器のいずれが前記低圧側に位置し、かつ前記第１のエキスパンダおよび前記第２のエキスパンダのいずれが前記高圧側から前記作業流体を受けるかに関する選択的な制御を可能とするように駆動されるよう形成された複数の弁とを有する熱機関システム。
【請求項２０】
前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体と熱的に伝導しかつ前記作業流体回路の前記低圧側で前記作業流体から熱エネルギーを除去するように形成された凝縮器をさらに有する請求項１９に記載の熱機関システム。
【国際調査報告】
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