(57)【要約】【課題】オゾン層への影響や反応性の高い動作流体に依存することなく、動作流体のエネルギー損失を抑制してタービンを駆動することができ、放射性廃棄物の問題もなく、燃料の燃焼に伴い排出される二酸化炭素の処理も容易となる原動機システムを提供する。【解決手段】原動機システム１Ａは、燃料を燃焼する燃焼部２０と、燃料の燃焼熱により動作流体を超臨界状態にする超臨界形成部２１と、超臨界形成部とタービン部１０を接続して動作流体をタービン部に導入すると共に動作流体を再び超臨界形成部に戻すことにより臨界形成部とタービン部との間で動作流体を循環させる流体循環部３０と、動作流体を冷却する凝縮器９１と、燃焼部へ燃焼用の酸素を供給する液体酸素供給部５０と、液体酸素供給部から燃焼部へ供給される酸素の冷熱を用いて燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、排気ガス中の二酸化炭素と水を分離する熱交換分離部６０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界状態の動作流体をタービン部に導入して回転駆動力を得る原動機システムであって、
燃料を燃焼する燃焼部と、
燃料の燃焼熱により前記動作流体を超臨界状態にする超臨界形成部と、
前記超臨界形成部と前記タービン部を接続して前記動作流体をタービン部に導入すると共に前記動作流体を再び前記超臨界形成部に戻すことにより前記臨界形成部と前記タービン部との間で前記動作流体を循環させる流体循環部と、
前記動作流体を冷却する凝縮器と、
前記燃焼部へ燃焼用の酸素を供給する液体酸素供給部と、
前記液体酸素供給部から前記燃焼部へ供給される酸素の冷熱を用いて前記燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、前記排気ガス中の水と二酸化炭素を分離する熱交換分離部とを
備えたことを特徴とする原動機システム。
【請求項２】
前記液体酸素供給部が深冷空気分離装置を備え、前記深冷空気分離装置により分離された酸素が前記燃焼部へ供給される請求項１に記載の原動機システム。
【請求項３】
前記深冷空気分離装置により分離された液体窒素が、前記凝縮器に導入される請求項２に記載の原動機システム。
【請求項４】
前記動作流体が、二酸化炭素、窒素または希ガスのいずれかである請求項１に記載の原動機システム。
【請求項５】
前記タービン部に導入された前記動作流体を用いて駆動する副タービン部が、前記流体循環部に設けられている請求項１に記載の原動機システム。
【請求項６】
前記タービン部に発電機が接続されている請求項１に記載の原動機システム。
【請求項７】
超臨界状態の動作流体をタービン部に導入して回転駆動力を得る原動機システムであって、
燃料を燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部に供給する酸素及び前記動作流体となる窒素を生産する深冷空気分離装置と、
燃料の燃焼熱により前記動作流体となる窒素を超臨界状態にする超臨界形成部と、
前記超臨界形成部と前記タービン部を接続して前記動作流体の窒素をタービン部へ供給する流体供給部と、
前記深冷空気分離装置により分離された酸素または窒素のいずれか一方もしくは両方の冷熱を用いて前記燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、前記排気ガス中の水と二酸化炭素を分離する熱交換分離部とを
備えたことを特徴とする原動機システム。
【請求項８】
前記タービン部に導入された前記動作流体を用いて駆動する副タービン部が、前記タービン部の下流側に設けられている請求項７に記載の原動機システム。
【請求項９】
前記タービン部に発電機が接続されている請求項７に記載の原動機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原動機システムに関し、特に超臨界状態の動作流体を用いてタービンを駆動する原動機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火力発電所等におけるタービンは、ボイラにて高温、高圧化した水蒸気により駆動される。この水蒸気は超臨界状態の動作流体である。タービン駆動後の水蒸気は復水器等を経て水となった後、再度ボイラにより加熱される。この経路においては、動作流体は復水器を経由するため、水と水蒸気の状態変化を含め、途中のエネルギー損失が生じる。そこで、水以外の動作流体の使用が提唱されてきた。
【０００３】
例えば、Ｒ１２（ＣＦＣ１２）等のフロン類を動作流体として利用し、これを加熱、凝縮しながら循環させる低沸点媒体のタービンプラントである（特許文献１参照）。あるいは、動作流体として二酸化炭素等を使用することもできる（特許文献２参照）。特許文献２は、原子炉の冷却剤として二酸化炭素を用いると共に、核分裂の熱により超臨界状態となった二酸化炭素によりタービンを駆動する直接サイクル炉である。
【０００４】
特許文献１のフロン類はオゾン層に極めて大きな影響を与えるガスである。フロン類を動作流体として循環させた場合、外部へのフロン類の漏洩を完全になくすことは難しい。現在では、環境問題の観点からフロン類の使用を抑制することが望まれる。特許文献２は、運転時に二酸化炭素の排出がほとんど生じない点で優れている。しかし、放射性廃棄物、核燃料の処理、設置場所等の問題を総合的に勘案するならば、建設、取り扱い、運転コスト等において、必ずしも利点を享受できない。
【０００５】
その一方、火力発電において石炭等を燃料とすることにより、原料等の経費を抑制しエネルギー効率を高めたガス化複合発電システムが数多く提唱されている（例えば、特許文献３等参照）。特許文献３によると、空気分離装置により分離された酸素を用いて石炭等をガス化燃料とするため、石炭等のよりも燃焼効率は高まる。さらに、ガス化燃料の燃焼により生じた燃焼ガスと共に空気分離装置から生産された窒素をガス化燃料の燃焼部に供給している。動作流体として燃焼ガスに窒素も加わるため、タービンの出力は増大する。
【０００６】
特許文献３の発電システムにおいては、ガス化燃料の燃焼に際し、コンプレッサにより加圧された空気が供給される。一般に、ガスタービンでは空気圧縮器（コンプレッサ）は必要である。このため、純粋な酸素による燃焼と比較すると必要エネルギー量は下がる。また、燃焼により生じた二酸化炭素を分離することは難しいのでそのまま大気中に排出される。
【特許文献１】特公昭６１−５７４４６号公報
【特許文献２】特許第３４０７０３７号公報
【特許文献２】特開２０００−２４０４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、オゾン層への影響や反応性の高い動作流体に依存することなく、動作流体のエネルギー損失を抑制してタービンを駆動することができ、放射性廃棄物の問題もなく、燃料の燃焼に伴い排出される二酸化炭素の処理も容易となる原動機システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、請求項１の発明は、超臨界状態の動作流体をタービン部に導入して回転駆動力を得る原動機システムであって、燃料を燃焼する燃焼部と、燃料の燃焼熱により前記動作流体を超臨界状態にする超臨界形成部と、前記超臨界形成部と前記タービン部を接続して前記動作流体をタービン部に導入すると共に前記動作流体を再び前記超臨界形成部に戻すことにより前記臨界形成部と前記タービン部との間で前記動作流体を循環させる流体循環部と、前記動作流体を冷却する凝縮器と、前記燃焼部へ燃焼用の酸素を供給する液体酸素供給部と、前記液体酸素供給部から前記燃焼部へ供給される酸素の冷熱を用いて前記燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、前記排気ガス中の水と二酸化炭素を分離する熱交換分離部とを備えたことを特徴とする原動機システムに係る。
【０００９】
請求項２の発明は、前記液体酸素供給部が深冷空気分離装置を備え、前記深冷空気分離装置により分離された酸素が前記燃焼部へ供給される請求項１に記載の原動機システムに係る。
【００１０】
請求項３の発明は、前記深冷空気分離装置により分離された液体窒素が、前記凝縮器に導入される請求項２に記載の原動機システムに係る。
【００１１】
請求項４の発明は、前記動作流体が、二酸化炭素、窒素または希ガスのいずれかである請求項１に記載の原動機システムに係る。
【００１２】
請求項５の発明は、前記タービン部に導入された前記動作流体を用いて駆動する副タービン部が、前記流体循環部に設けられている請求項１に記載の原動機システムに係る。
【００１３】
請求項６の発明は、前記タービン部に発電機が接続されている請求項１に記載の原動機システムに係る。
【００１４】
請求項７の発明は、超臨界状態の動作流体をタービン部に導入して回転駆動力を得る原動機システムであって、燃料を燃焼する燃焼部と、前記燃焼部に供給する酸素及び前記動作流体となる窒素を生産する深冷空気分離装置と、燃料の燃焼熱により前記動作流体となる窒素を超臨界状態にする超臨界形成部と、前記超臨界形成部と前記タービン部を接続して前記動作流体の窒素をタービン部へ供給する流体供給部と、前記深冷空気分離装置により分離された酸素または窒素のいずれか一方もしくは両方の冷熱を用いて前記燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、前記排気ガス中の二酸化炭素と水を分離する熱交換分離部とを備えたことを特徴とする原動機システムに係る。
【００１５】
請求項８の発明は、前記タービン部に導入された前記動作流体を用いて駆動する副タービン部が、前記タービン部の下流側に設けられている請求項７に記載の原動機システムに係る。
【００１６】
請求項９の発明は、前記タービン部に発電機が接続されている請求項７に記載の原動機システムに係る。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明に係る原動機システムによると、超臨界状態の動作流体をタービン部に導入して回転駆動力を得る原動機システムであって、燃料を燃焼する燃焼部と、燃料の燃焼熱により前記動作流体を超臨界状態にする超臨界形成部と、前記超臨界形成部と前記タービン部を接続して前記動作流体をタービン部に導入すると共に前記動作流体を再び前記超臨界形成部に戻すことにより前記臨界形成部と前記タービン部との間で前記動作流体を循環させる流体循環部と、前記動作流体を冷却する凝縮器と、前記燃焼部へ燃焼用の酸素を供給する液体酸素供給部と、前記液体酸素供給部から前記燃焼部へ供給される酸素の冷熱を用いて前記燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、前記排気ガス中の水と二酸化炭素を分離する熱交換分離部とを備えたため、動作流体のエネルギー損失を抑制してタービン部を駆動することができ、放射性廃棄物の問題もなく、燃料の燃焼に伴い排出される二酸化炭素の処理も容易となる。また、はじめから純粋な酸素が燃料の燃焼用に供給されるため、空気圧縮機等が不要となる。従って、原動機システムの設備を簡素化することができる。
【００１８】
請求項２の発明に係る原動機システムによると、請求項１の発明において、前記液体酸素供給部が深冷空気分離装置を備え、前記深冷空気分離装置により分離された酸素が前記燃焼部へ供給されるため、燃料の燃焼に必要な酸素を常時安定して燃焼部に供給することができる。
【００１９】
請求項３の発明に係る原動機システムによると、請求項２の発明において、前記深冷空気分離装置により分離された液体窒素が、前記凝縮器に導入されるため、深冷空気分離装置から分離された液体窒素を有効に活用して動作流体の冷却を簡素化することができる。
【００２０】
請求項４の発明に係る原動機システムによると、請求項１の発明において、前記動作流体が、二酸化炭素、窒素または希ガスのいずれかであるため、動作流体にオゾン層への影響が懸念されるフロン類や反応性が高い動作流体を用いる必要がない。
【００２１】
請求項５の発明に係る原動機システムによると、請求項１の発明において、前記タービン部に導入された前記動作流体を用いて駆動する副タービン部が、前記流体循環部に設けられているため、単一の流体循環部に設置できるタービン部の数を増やすことができる。そこで、燃焼部における燃焼熱を有効に生かすことができ、一の原動機システムから獲得できる駆動エネルギーは増加する。
【００２２】
請求項６の発明に係る原動機システムによると、請求項１の発明において、前記タービン部に発電機が接続されているため、エネルギー利用効率の高い火力発電所を得ることができる。
【００２３】
請求項７の発明に係る原動機システムによると、超臨界状態の動作流体をタービン部に導入して回転駆動力を得る原動機システムであって、燃料を燃焼する燃焼部と、前記燃焼部に供給する酸素及び前記動作流体となる窒素を生産する深冷空気分離装置と、燃料の燃焼熱により前記動作流体となる窒素を超臨界状態にする超臨界形成部と、前記超臨界形成部と前記タービン部を接続して前記動作流体の窒素をタービン部へ供給する流体供給部と、前記深冷空気分離装置により分離された酸素または窒素のいずれか一方もしくは両方の冷熱を用いて前記燃焼部から排出される排気ガスを冷却し、前記排気ガス中の二酸化炭素と水を分離する熱交換分離部とを備えたため、オゾン層への影響や反応性の高い動作流体に依存することなく、動作流体のエネルギー損失を抑制してタービン部を駆動することができ、放射性廃棄物の問題もなく、燃料の燃焼に伴い排出される二酸化炭素の処理も容易となる。また、はじめから純粋な酸素が燃料の燃焼用に供給されるため、空気圧縮機等が不要となる。従って、原動機システムの設備を簡素化することができる。
【００２４】
さらに、深冷空気分離装置より分離された窒素を動作流体として有効に活用することができ、タービン部を駆動した後に動作流体を問題なく排気することができる。
【００２５】
請求項８の発明に係る原動機システムによると、請求項７の発明において、前記タービン部に導入された前記動作流体を用いて駆動する副タービン部が、前記タービン部の下流側に設けられているため、単一の流体供給部に設置できるタービン部の数を増やすことができる。そこで、燃焼部における燃焼熱を有効に生かすことができ、一の原動機システムから獲得できる駆動エネルギーは増加する。
【００２６】
請求項９の発明に係る原動機システムによると、請求項７の発明において、前記タービン部に発電機が接続されているため、エネルギー利用効率の高い火力発電所を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下添付の図面に従って本発明を説明する。
図１は本発明の第１実施形態の原動機システムを示す概略図、図２は第２実施形態の原動機システムを示す概略図、図３は第３実施形態の原動機システムを示す概略図、図４は第４実施形態の原動機システムを示す概略図である。
【００２８】
本発明の原動機システムとは、超臨界状態の温度、圧力を有する動作流体をタービン部に導入して同タービン部から回転駆動力を得るランキンサイクルを用いたシステムである。同時に、動作流体を超臨界状態とする際の燃料の燃焼に伴い排出される排気ガス中より二酸化炭素等の分離も行うことができるシステムである。
【００２９】
本発明の原動機システムに用いる動作流体は次の特性を備える必要がある。第１に、タービンや各種配管等に対する腐食性が低く、配管等から漏洩したとしても人体を含め環境に対する影響が少ない流体であることが必要である。第２に、後述する燃焼部における燃焼熱により超臨界状態へ容易に移行可能な流体であることが必要である。特に、超臨界状態に移行すると物質の反応性は高まるため、各部材に与える影響が甚大となる。これらの点を加味し、動作流体を二酸化炭素、窒素、または希ガスのいずれかから選択することが好ましい。
【００３０】
次に、本発明の原動機システムに用いることができる燃料としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガス、炭化水素ガスを主成分とする天然ガス（ＬＮＧ等）、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類である。他に、食用油等の油脂類、ガソリン、軽油、重油、石炭、あるいは公知の手法により石炭や重油を加工した燃料ガス（ＣＯ，Ｈ2等）も用いることができる。加えて、可燃ゴミ、廃材、海藻類、間伐材、サトウキビの絞りかす、その他の各種バイオマスに由来するガス類やアルコール類、さらには海底に堆積しているメタンハイドレート由来のガスも含めることができる。
【００３１】
列記の燃料のうち、炭化水素ガスは、燃焼時に生じる煤煙等が少なく、燃料の完全燃焼により排気ガスはほぼ水と二酸化炭素となる。このため、後記する排気ガス中の水と二酸化炭素の分離処理に要する負担が少ない。これより開示する第１ないし第４実施形態は、主にＬＮＧを燃料とする例示である。当然ながら、前記の各種燃料を適用することも可能である。
【００３２】
以下、各実施形態に合わせて本発明の原動機システムを図示し説明する。各図において、矢印の付記は、動作流体、排気ガス、酸素、窒素等の流体の進路を示す。なお、本発明の内容は、図示並びに説明の実施形態の構造に必ずしも限定されない。
【００３３】
図１の概略図は、第１実施形態の原動機システム１Ａを示す。請求項１の発明として規定されるように、原動機システム１Ａには、燃料を燃焼する燃焼部２０、その内部に設けられた超臨界形成部２１、同超臨界形成部とタービン部１０を接続して動作流体を循環させる流体循環部３０が備えられ、さらに流体循環部に備えられた凝縮器、液体酸素供給部５０、熱交換分離部６０が備えられる。
【００３４】
燃料貯蔵部７０に貯蔵されている燃料は燃料配管７１を通じ、燃料を燃焼する燃焼部２０に供給される。この実施形態の燃料はＬＮＧであり、燃料貯蔵部７０は燃料タンクとなる。燃料は、後記する液体酸素供給部５０から供給される酸素により燃焼する。
【００３５】
燃焼部２０の構造、形状は燃焼効率を考慮して適宜設計される。燃料の燃焼効率を高めるためにスワラー（ｓｗｉｒｌｅｒ）等（図示せず）が燃料配管７１の燃焼部側末端に配される。燃料は酸化され、燃料は水と二酸化炭素からなる排気ガスとして燃焼部２０から排出される。燃焼部２０における燃料の燃焼では、燃料である炭化水素の酸化、生じた一酸化炭素の酸化も進行する。図中の符号Ｌｆは輝炎である。
【００３６】
燃焼部２０の内部には超臨界形成部２１が備えられる。動作流体は液体の状態で臨界圧力以上に加圧され、超臨界形成部２１を通過することにより、燃料の燃焼熱を受けて臨界温度以上に加熱、昇温される。従って、動作流体は超臨界状態になる。超臨界形成部２１は、超臨界状態の動作流体の流通と燃焼熱にも対応した耐久性を備える熱交換機となる。
【００３７】
第１実施形態の原動機システム１Ａにおいて、超臨界形成部２１を通過することにより超臨界状態となった動作流体は、流体循環部３０を通じてタービン部１０に導入される。そして、超臨界状態以下の温度、圧力に低下した動作流体は、タービン部１０から排出され、再び超臨界形成部２１に戻される。こうして、動作流体は超臨界形成部２１とタービン部１０との間で循環する。図中、符号３１はタービン部上流配管、３２はタービン部下流配管である。むろん、流体循環部３０（タービン部上部流配管３１、タービン部下流配管３２）は耐圧設計となる。超臨界状態の動作流体が流入するタービン部は、超高圧タービン、もしくは後記の超高圧と高圧タービンを組み合わせた構造とすることもできる。
【００３８】
当該原動機システム１Ａの動作流体は、前述の安定性、無毒性等の理由から、また、請求項４の発明に規定するように、二酸化炭素、窒素、または希ガスのいずれかから選択することが好ましい。加えて、タービン部（図示しないタービン軸）を回転するための荷重を考慮すると、分子量は水等と同等あるいはそれよりも大きいことが望ましい。このことから水素やヘリウムよりも、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等が好ましい。動作流体となる希ガスには、量的な調達が容易であることから、アルゴンが用いられる。
【００３９】
動作流体の臨界点における圧力と温度は、ＣＯ2：｛７．３９Ｍｐａ，３０４Ｋ（３１℃）｝、Ｎ2：｛３．４ＭＰａ，１２６Ｋ（−１４７℃）｝、Ａｒ：｛４．８６ＭＰａ，１５１Ｋ（−１２２℃）｝となる。かっこ内前者は圧力、後者は温度である。これに対し、水の臨界点は、２２．１２ＭＰａ，６４７．３Ｋ（３７４℃）である。それぞれの臨界点の比較から、動作流体となるＣＯ2、Ｎ2、Ａｒ等を超臨界形成部において超臨界状態とするために要するエネルギーは、水を超臨界状態にするために要するエネルギーよりも低いと考えられる。現在、火力発電所等において水を動作流体として用いる場合、タービン部の駆動に際し、水を３１Ｍｐａ、５５６℃の超臨界状態にして実用化されている。この点からも、動作流体となるＣＯ2、Ｎ2、Ａｒ等を超臨界状態にするために要するエネルギーは、水の場合と比較しても低くなる。結果的に、燃焼熱量の抑制による燃焼部の燃料消費量の削減が可能であると想定される。
【００４０】
流体循環部３０において、凝縮器９１はタービン部１０から超臨界形成部２１に戻る経路に備えられる。図示では、タービン部下流配管３２の途中に備えられる。また、タービン部下流配管３２の途中、タービン部１０から超臨界形成部２１に戻る経路に循環ポンプ９２も備えられる。動作流体の流体循環部３０における循環、圧送（臨界圧力以上の加圧）は、当該循環ポンプ９２により行われる。
【００４１】
凝縮器９１には、動作流体を冷却するための公知の装置が用いられる。凝縮器がタービン部の下流側の流体循環部に備えられていることから、動作流体は凝縮器を通じて冷却され液化する。そこで、タービン部の上流側と下流側の間で動作流体の圧力差が生じる。タービン部の下流側の圧力が下がり、動作流体はタービン部への流入しやすくなる。このため、タービン部の回転効率は向上する。
【００４２】
この説明から把握されるように、第１実施形態の原動機システム１Ａにおいて、動作流体は、「超臨界状態」と「超臨界状態よりもエンタルピーが低下した状態」とを繰り返しながら、閉鎖した流体循環部内を流動する。常にタービン部では回転駆動力を得ることができる。なお、動作流体はＣＯ2、Ｎ2、Ａｒ等であるため、動作流体の漏出により規定量を下回る場合、同種の動作流体が適量流体循環部に補填される。
【００４３】
燃焼部２０における燃料の燃焼に必要な酸素は、液体酸素供給部５０から供給される。酸素源を液体酸素とする理由は、後記するとおり、液体酸素自体の冷熱（極低温の冷たさ）を利用するためである。原動機システムが小規模設備や移動設備等の場合、液体酸素供給部５０は液体酸素のタンク、そのタンク車等となる。
【００４４】
原動機システムが大規模の作業プラント等の場合、燃料の燃焼に常時大量の酸素が必要となる。この場合、請求項２の発明に規定され、図示の実施形態のように、液体酸素供給部５０は深冷空気分離装置５１を備える。深冷空気分離装置５１より分離して生産された酸素が燃焼部２０に供給される。よって、液体酸素を逐次補充とする必要はなく、常時安定した液体酸素の供給が可能となる。
【００４５】
当然ながら、炭化水素ガス等の各種燃料を燃焼する場合には、水（水蒸気）と二酸化炭素を含む排気ガスの排出は不可避である。ただし、水と二酸化炭素の分離を精度良く行うことができれば、排気ガスの排出コストの削減、排出された二酸化炭素の回収、埋設処理にも寄与できる。
【００４６】
二酸化炭素の凝固点は常圧下で−７９℃である。これに対し、酸素の沸点は−１８３℃であり、酸素の冷熱の方が十分に低温である。そこで、液体酸素供給部５０から供給される酸素は、燃焼部２０から排出される排気ガスの熱量や燃焼熱をもって気化される。これと併行して、排気ガスは液体酸素の冷熱により冷却される。水、二酸化炭素等の排気ガス中に含まれていた成分は、排気ガスの冷却に伴い沸点や凝固点の差により、それぞれ各成分毎に分離される。一連の熱交換と分離は熱交換分離部６０において行われる。
【００４７】
すなわち、液体酸素自体の冷熱を有効に生かして、二酸化炭素の固化または液化まで可能となる。よって、排気ガス中の二酸化炭素の分離処理に要する別途の負担は軽減され、相対的に運転コストは少なくなる。また、はじめから純粋な酸素が燃料の燃焼に供給されるため、空気圧縮機等が不要となる。従って、原動機システムの設備は簡素化される。なお、排気ガス中の二酸化炭素の分離処理を容易にする点を考慮すると、煤煙等が生じにくく燃焼が容易なため、燃料には炭化水素ガスが好ましい。
【００４８】
図示の実施形態によると、燃焼部２０から排出される排気ガスは、排気ガス流路８０（排気ガス配管８１）を通じて熱交換分離部６０内の排気ガス冷却部８２に導入される。液体酸素供給部５０から供給される液体酸素は、液体酸素配管５２を通じて熱交換分離部６０内の酸素気化部５３に導入される。
【００４９】
特に第１実施形態においては、深冷空気分離装置５１から生産される副産物である液体窒素の冷熱も併せて利用される。すなわち、請求項３の発明に規定するように、深冷空気分離装置５１により分離された液体窒素が凝縮器配管５８を通じて凝縮器９１へ導入される。そして、液体窒素の冷熱により流体循環部３０を流通する動作流体は冷却され、動作流体は液体となる。深冷空気分離装置から分離された液体窒素を有効に活用することによって動作流体の冷却設備を簡素化することができる。併せて、深冷空気分離装置５１により分離された液体窒素は液体窒素配管５５を通じて熱交換分離部６０内の窒素気化部５６にも導入される。
【００５０】
酸素気化部５３、窒素気化部５６、及び排気ガス冷却部８２は、互いに近接、接触した配置である。そこで、排気ガス冷却部８２内を流通する排気ガスは冷却され、逆に、酸素気化部５３内を流通する液体酸素、及び窒素気化部５６内を流通する液体窒素は、熱交換に伴い気化される。酸素気化部、排気ガス冷却部等には、適宜の熱交換やガス移送の部材が用いられる。ここで、燃焼部における燃焼熱を酸素気化部等へ誘導して温度上昇が補助される場合もある。
【００５１】
排気ガスは、熱交換分離部６０（排気ガス冷却部８２）を通過して水、二酸化炭素、その他酸素等に分離され、水は排水溜め８３に、二酸化炭素は排二酸化炭素溜め８４に向かう。熱交換分離部６０（酸素気化部５３）を通過して気化した酸素は、気化酸素配管５４を経由して燃焼部２０へ導入され、前述のとおり燃料の燃焼に用いられる。熱交換分離部６０（窒素気化部５６）を通過して気化した窒素は、気化窒素配管５７を経由して排気される。熱交換分離部６０（窒素気化部５６）を通過して気化した窒素は、気化窒素配管５７を経由して排気される。気化窒素配管や凝縮器から排気される窒素（液体窒素の状態も含む）は、必要に応じて適宜用途に利用される。
【００５２】
図２の概略図は、第２実施形態の原動機システム１Ｂを示す。当該原動機システム１Ｂでは、請求項５の発明に規定されるように、タービン部１１に導入された動作流体を用いて駆動する副タービン部が流体循環部３５に設けられる。第２実施形態の原動機システム１Ｂにおいて、前出の第１実施形態の原動機システム１Ａと共通する箇所は同一符号とし、関連する説明を省略する。当該第２実施形態における第２タービン部が副タービン部に相当する。第２実施形態の原動機システム１Ｂにおける動作流体の経路は、次の説明のとおりとなる。
【００５３】
図２から把握されるように、燃焼部２０内の第１超臨界形成部２５の通過により超臨界状態となった動作流体は、流体循環部３５の第１タービン部上流配管３６を通じて第１タービン部１１に導入される。第１タービン部１１の駆動に伴い臨界点以下の温度に低下した動作流体は、第１タービン部１１から排出され、第１タービン部下流配管３７を通じて第２超臨界形成部２６に戻される。第２超臨界形成部２６に戻された動作流体は加熱されて再び超臨界状態に昇温され、動作流体のエンタルピーは増加する。動作流体は第２タービン部上流配管３８を通じて副タービンとなる第２タービン部１２に導入される。第２タービン部１２の駆動に伴い臨界点以下の温度、圧力に低下した動作流体は、第２タービン部１２から排出され、第２タービン部下流配管３９を通じて第１超臨界形成部２５に戻される。動作流体は、凝縮器９１により冷却され、循環ポンプ９２により加圧され燃焼部２０内へ戻される。この後、動作流体は第１超臨界形成部２５にて超臨界状態となり、流体循環部３５内を循環する。
【００５４】
第２実施形態の原動機システム１Ｂによると、単一の流体循環部３５に設置できるタービン部の数を増やすことができる。そこで、燃焼部における燃焼熱を有効に生かすことができるため、一の原動機システムから獲得できる駆動エネルギーは増加する。発電所等を想定すると複数の発電機の運転が可能となるため、電力供給量は増加する。特に、いずれのタービン部とも超臨界状態の動作流体が導入するため、超高圧タービンにより強力な回転駆動力を得ることができる。タービン部の設置数は図示の２台に限られることはなく、必要数まで増設することができる。
【００５５】
開示の実施形態は、いずれのタービン部にも超臨界状態の動作流体を導入する構造である。例えば、第２超臨界形成部を加熱昇温部とすることにより、第１タービン部から排出される動作流体を加熱、昇温してエンタルピーが高い（多い）状態にして、第２タービン部へ導入することもできる。エンタルピーが超臨界状態よりも低い状態の動作流体であっても、有効にタービン部の駆動に用いることができる。この場合、図示しないが、第１タービン部と第２タービン部とを組み合わせた同軸のタービン部としてもよく、エンタルピーが高い動作流体、及び加熱、昇温によりエンタルピーを高くした動作流体の両方の導入により、タービン部の回転駆動力の増強が可能となる。
【００５６】
図３の概略図は、第３実施形態の原動機システム１Ｃを示す。請求項７の発明として規定されるように、原動機システム１Ｃには、燃料を燃焼する燃焼部２０、この燃焼部２０に供給する酸素及び動作流体となる窒素を生産する深冷空気分離装置５１、燃焼部２０の内部に設けられた超臨界形成部２１、同超臨界形成部とタービン部１０を接続して動作流体の窒素をタービン部１０へ供給する流体供給部４０が備えられ、さらに熱交換分離部６０が備えられる。第３実施形態の原動機システム１Ｃにおいて、前出の第１実施形態の原動機システム１Ａと共通する箇所は同一符号とし、関連する説明を省略する。
【００５７】
燃料の燃焼効率は、純粋な酸素存在下による燃焼とすることにより、格段に向上する。深冷空気分離装置は純粋な酸素を常時供給できるため効率よい。ただし、同時に生産される液体窒素は、前述の実施形態では一部の活用に留まっている。
【００５８】
これに対し、第３実施形態の原動機システム１Ｃの特徴は、深冷空気分離装置において液体酸素生産時に分離される窒素を動作流体として用いる点である。すなわち、深冷空気分離装置の副産物を積極的に動作流体に活用してタービン部の駆動に利用する原動機システムである。
【００５９】
はじめに空気は深冷空気分離装置５１に供給され、同装置により液体酸素と液体窒素に分離される。液体酸素は、前述のとおり、液体酸素配管５２、熱交換分離部６０（酸素気化部５３）、気化酸素配管５４を経由して燃焼部２０へ導入され、燃料の燃焼に用いられる。液体窒素の一部は、熱交換分離部６０において排気ガスの冷却に用いられる。前述の実施形態と同じく、液体窒素配管５５、熱交換分離部６０（窒素気化部５６）、気化窒素配管５７を経由して排気される。熱交換分離部６０における液体酸素及び液体窒素の気化並びに昇温、排気ガスの冷却と排気ガス中からの水、二酸化炭素の分離は、前述の実施形態と同様である。
【００６０】
動作流体は、深冷空気分離装置５１にて空気から分離された液体窒素である。液体窒素は、液体窒素供給配管５９を経由して液体窒素圧送ポンプ９３により臨界圧力以上に加圧され、燃焼部２０内の超臨界形成部２１に導入される。動作流体の液体窒素は、超臨界形成部２１において燃料の燃焼熱により、臨界温度以上に加熱、昇温され、動作流体の窒素は超臨界状態となる。超臨界状態の動作流体（窒素）は、流体供給部４０（タービン部上流配管４１）を通じてタービン部１０に導入される。タービン部を回転駆動することによりエンタルピーが低下した動作流体は、タービン部下流配管４２を通じて大気中に排気される。図示の原動機システム１Ｃの場合、請求項９の発明に規定するように、タービン部１０に発電機１００が接続されている。当該原動機システムは発電所である。
【００６１】
第３実施形態の原動機システムに関する図示、説明のとおり、動作流体である窒素は、もともと空気中に存在していた成分であるため、排気に際し問題は生じない。排気はほぼ純粋な窒素であるため、気化窒素配管やタービン部下流配管から回収して工業用途等に用いることも可能である。また、流体供給部は動作流体の循環を目的としないため、管路は簡素となる。
【００６２】
図４の概略図は、第４実施形態の原動機システム１Ｄを示す。当該原動機システム１Ｄでは、請求項８の発明に規定されるように、タービン部１１に導入された動作流体を用いて駆動する副タービン部が流体供給部４０に設けられる。第４実施形態の原動機システム１Ｄにおいて、前出の第１ないし第３実施形態の原動機システム１Ａ，１Ｂ，１Ｃと共通する箇所は同一符号とし、関連する説明を省略する。なお、当該第４実施形態における第２タービン部が副タービン部に相当する。第４実施形態の原動機システム１Ｄにおける動作流体の経路は、次の説明のとおりとなる。
【００６３】
図４から把握されるように、液体窒素供給配管５９、液体窒素圧送ポンプ９３を経由して、燃焼部２０内の第１超臨界形成部２５の通過により超臨界状態となった動作流体（窒素）は、流体供給部４５の第１タービン部上流配管４６を通じて第１タービン部１１に導入される。第１タービン部１１の駆動に伴い臨界点以下の温度に低下した動作流体（窒素）は、第１タービン部１１から排出され、第１タービン部下流配管４７を通じて第２超臨界形成部２６に戻される。第２超臨界形成部２６に戻された動作流体（窒素）は加熱されて再び超臨界状態に昇温され、動作流体のエンタルピーは増加する。動作流体（窒素）は第２タービン部上流配管４８を通じて副タービンとなる第２タービン部１２に導入される。第２タービン部１２の駆動に伴い臨界点以下の温度、圧力に低下した動作流体は、第２タービン部１２から排出され、第２タービン部下流配管４９を通じて大気中に排気される。
【００６４】
第４実施形態の原動機システム１Ｄは、単一の流体供給部４０に設置できるタービン部の数を増やすことができることから、前出の第３実施形態の原動機システム１Ｃと比較して、一の原動機システムから獲得できる駆動エネルギーは増加する。第４実施形態においても、タービン部の設置数は図示の２台に限られることはなく、必要数まで増設することができる。当該実施形態の場合も、第２超臨界形成部を加熱昇温部に代えることにより、第１タービン部から排出される動作流体を加熱、昇温してエンタルピーが高い（多い）状態にして、第２タービン部へ導入することもできる。エンタルピーが超臨界状態よりも低い状態の動作流体（窒素）であっても、加熱、昇温によりエンタルピーは高くなり、有効にタービン部の駆動に用いることができる。前述のとおり、タービン部の構造は最適に設計される。
【００６５】
図１ないし４にて開示し詳述した第１ないし第４実施形態の原動機システム１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの用途は、タービン部１０（第１タービン部１１，第２タービン部１２）に接続する装置等により目的に応じて広がる。例えば、港湾の浚渫機、河川や干拓地の揚水機、油田の掘削機をはじめとする重機類の駆動源として用いることができる。あるいは、各種のコンプレッサ、ポンプ等の駆動源に用いることができる。さらには、この原動機システムを船舶に搭載しタービン部にプロペラ等を接続して、船舶の推進力を得る目的とすることもできる。
【００６６】
特に、請求項６、請求項９の発明に規定するように、タービン部１０（第１タービン部１１，第２タービン部１２）に発電機１００を接続する場合、原動機システムは火力発電所となる。規模の拡大により燃料の燃焼効率、超臨界状態の動作流体によるタービン部の駆動等、各所におけるエネルギー利用効率が高まることから、既存の火力発電所の代替して期待できる。また、原動機システムの規模により、原動機システムを自家発電装置に利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１実施形態の原動機システムを示す概略図である。
【図２】第２実施形態の原動機システムを示す概略図である。
【図３】第３実施形態の原動機システムを示す概略図である。
【図４】第４実施形態の原動機システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ    原動機システム
１０    タービン部
１１    第１タービン部
１２    第２タービン部（副タービン部）
２０    燃焼部
２１    超臨界形成部
２５    第１超臨界形成部
２６    第２超臨界形成部
３０，３５    流体循環部
３１    タービン部上流配管
３２    タービン部下流配管
４０，４５    流体供給部
４１    タービン部上流配管
４２    タービン部下流配管
５０    液体酸素供給部
５１    深冷空気分離装置
５３    酸素気化部
５６    窒素気化部
５８    凝縮器配管
５９    液体窒素供給配管
６０    熱交換分離部
７０    燃料貯蔵部
７１    燃料配管
８０    排気ガス流路
８２    排気ガス冷却部
９１    凝縮器
９２    循環ポンプ
９３    液体窒素圧送ポンプ
１００    発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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