(57)【要約】  燃料駆動タービン発電機の効率を増加させるための方法および装置が記載される。特に、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスを含むシステムが記載される。このシステムは、超冷却空気を生成する。前記超冷却空気を外気と混合して、比較的低温かつ乾燥した入口空気を生成することができる。前記比較的低温かつ乾燥した入口空気を圧力下において前記燃料駆動発電機内へと導入して、その効率を上げることができる。前記冷却空気の移動方向に対して垂直に延びる通路を備えた分離区画を好適には用いて、低温の入口空気から氷粒子および粒子を除去し、これにより、タービンブレードの損傷を回避する。さらなる効率上昇のための装置（例えば、コンプレッサからの熱を用いる熱交換器および蒸気駆動タービン発電機ならびに冷却装置）と、圧縮空気を放出することにより、生成された冷却水を保存する熱エネルギー保存システムとが企図される。【選択図】  図１
2012505347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料駆動タービン発電機の効率を向上させる方法であって、
ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスを用いて冷却空気を生成するステップと、
前記デバイスによって生成された前記冷却空気と、外気とを区画において混合し、前記外気中の水蒸気を凍結させることにより、前記外気からほとんどの水分を実質的に除去するステップと、
前記区画内に形成された低温かつ乾燥した空気を前記燃料駆動タービン発電機内に導入し、コンプレッサタービンを用いて前記低温かつ乾燥した空気を圧縮するステップと、
前記低温かつ乾燥した空気を圧力下で燃焼室内に導入して、前記燃焼室内の燃料蒸気の燃焼を促進し、これにより発電機を駆動して、電気を生成するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記ターボコンプレッサを冷却するための少なくとも１つの熱交換器を用いて、前記ターボコンプレッサによって生成された熱を冷却剤へと移動させ、前記冷却剤を蒸気駆動タービン発電機および／または冷却装置内へと方向付けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
コンプレッサを前記デバイスと関連して用いて先ず前記外気を圧縮させ、前記ターボコンプレッサを用いて前記外気をさらに圧縮させるステップであって、前記ターボコンプレッサおよび前記ターボエキスパンダは共通シャフト上に配置される、ステップと、定常状態条件の動作が達成されるまで、前記ターボエキスパンダを前記コンプレッサと共に回転させ始めることで前記ターボコンプレッサおよび前記ターボエキスパンダを回転させるステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの熱交換器を用いて前記デバイスから熱を引き出した後、前記デバイスによって生成された前記熱を冷却剤へと移動させ、前記冷却剤を蒸気駆動タービン発電機のボイラーおよび／または冷却装置内へと方向付けるステップさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記外気から前記水分を除去するステップは、前記デバイスからの冷却空気を用いて前記外気中に氷粒子を形成し、前記氷粒子を前記区画の底部に落下させることにより、前記氷粒子を前記低温かつ乾燥した空気から分離するステップを含み、前記低温かつ乾燥した空気は、通路を通じて流され、前記氷粒子から分離される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記通路は、前記区画に対して実質的に垂直であり、前記氷粒子が前記区画の前記底部へと落下している間、前記低温かつ乾燥した空気のみを前記区画から逃避させる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記氷粒子は前記区画内において溶解し得、これによって形成された冷却水は、前記区画と関連付けられた熱エネルギー保存システム内に導入され得かつ／またはＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却に用いられ得る、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
所定の量の前記燃料蒸気を前記燃焼室内に導入し、前記圧縮された低温かつ乾燥した空気を前記燃料蒸気と混合させ、前記燃料蒸気および圧縮された低温かつ乾燥した空気の前記混合物を前記燃焼室内において燃焼させるステップであって、これによって生成されたエネルギーを用いて、前記発電機に接続された膨張タービンを駆動することができる、ステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記コンプレッサタービン、膨張タービンおよび発電機を共通シャフト上に配置するステップであって、前記膨張タービンを回転させることにより、定常状態条件の動作が達成できるまで前記コンプレッサタービンおよび前記発電機を回転させ、前記低温かつ乾燥した空気を前記コンプレッサタービン内に導入することにより、前記圧縮された低温かつ乾燥した空気を前記燃焼室内に圧縮および導入するために必要な仕事の量が実質的に低減し、その後、前記発電機を駆動する際に利用可能なエネルギー量が増加し、これにより、前記燃料駆動タービン発電機の効率を上昇させるステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記デバイス内の圧力をより段階的に増減するために２段ターボコンプレッサおよび２段ターボエキスパンダデバイスを設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
燃料駆動タービン発電機の効率を向上させるシステムであって、
冷却空気を生成することが可能なターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスと、
区画であって、前記区画内において、前記デバイスによって生成された冷却空気を外気と混合して冷気を生成し、前記外気が前記冷却空気と混合される際に前記冷気中の水蒸気を瞬間冷凍させて小型の氷粒子とすることにより、前記冷気から水分を除去することができる、前記氷粒子を前記冷気から分離する、区画と、
前記冷気を燃焼室内に圧縮および導入するように適合されたコンプレッサタービンと、
前記燃焼室内において燃料蒸気を燃焼することにより動力供給を受けるように適合された膨張タービンであって、前記膨張タービンは、電気を生成することが可能な発電機に接続される、膨張タービンと、
を含む、システム。
【請求項１２】
前記ターボコンプレッサを冷却するための少なくとも１つの熱交換器をさらに含み、前記少なくとも１つの熱交換器は、前記ターボコンプレッサによって生成された前記熱を冷却剤へと移動させ、前記冷却剤を蒸気駆動タービン発電機および／または冷却装置内へと方向付ける、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
先ず前記外気を圧縮するためのコンプレッサを前記デバイスと関連してさらに含み、前記ターボコンプレッサおよび前記ターボエキスパンダは共通シャフト上に配置され、前記ターボエキスパンダを前記コンプレッサと共に回転させ始めると、定常状態条件の動作が達成されるまで、前記ターボコンプレッサおよび前記ターボエキスパンダが回転する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記デバイスから熱を引き出すための少なくとも１つの熱交換器をさらに含み、前記少なくとも１つの熱交換器は、前記デバイスによって生成された前記熱を冷却剤へと移動させ、前記冷却剤を蒸気駆動タービン発電機のボイラーおよび／または冷却装置内へと方向付ける、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記氷粒子を前記区画の底部に落下させ、前記冷気を通路内を通過させ、前記氷粒子から分離することにより、前記区画内において前記氷粒子を前記冷気から分離させることができる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記通路は、前記区画に対して実質的に垂直に延び、前記氷粒子を前記区画の前記底部に落下させることにより、前記冷気のみを前記区画から逃避させる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記氷粒子を前記区画内において溶解させることができ、これによって生成された冷却水を前記区画と関連付けられた熱エネルギー保存システム内に導入しかつ／または前記冷却水をＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却に用いることができる、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コンプレッサタービン、膨張タービンおよび発電機を共通シャフト上に設けるステップをさらに含み、前記膨張タービンを回転させることにより、定常状態条件の動作が達成されるまで前記コンプレッサタービンおよび前記発電機を回転させ、前記冷気を前記コンプレッサタービン内に導入することにより、前記圧縮空気を前記燃焼室内に圧縮および導入するために必要な仕事の量が実質的に低減し、これにより、前記発電機を駆動する際に利用可能なエネルギーが増加し、これにより、前記燃料駆動タービン発電機の効率を上昇させる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記デバイス内の圧力をより段階的に増減するための２段ターボコンプレッサおよび２段ターボエキスパンダデバイスをさらに含む、をさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
燃料駆動タービン発電機の効率を向上させるための装置であって、
冷却空気を生成することが可能なターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスと、
区画であって、前記区画内において、前記デバイスによって生成された冷却空気を外気と混合して冷気および凍結した氷粒子を生成し、前記区画の垂直軸に対して実質的に垂直に延びる通路を設け、前記通路を通じて前記冷気を実質的に出て行かせることができ、前記区画内の前記氷粒子は、前記区画の底部に落下し、前記区画内において収集される、区画と、
前記燃料駆動タービン発電機の一部であるコンプレッサタービンであって、前記冷気を圧縮し、前記冷気を圧力下において燃焼室内に導入して、燃料蒸気と混合させるように適合されたコンプレッサタービンと、
前記燃焼室中の燃料蒸気を燃焼することにより動力供給を受けるように適合された膨張タービンであって、前記膨張タービンは、電気を生成することが可能な発電機に接続される、膨張タービンと、
を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料駆動タービン発電機の効率を増加させるための方法および装置に関し、より詳細には、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスを含むシステムに関する。このシステムは、超冷却空気を生成する。この超冷却空気を外気と混合することで、比較的低温かつ乾燥した入口空気を生成することができる。この入口空気を圧力下のもとで燃料駆動発電機内に導入することで、その効率を高めることができる。また、さらに効率を高める装置（例えば、蒸気駆動タービン発電機および／または冷却装置）と、熱エネルギー保存システムとが企図される。この装置は、空気圧縮によって発生した熱を用いることにより、性能を向上させる。この熱エネルギー保存システムは、圧縮空気が膨張する際に発生する冷却水を保存する。
【背景技術】
【０００２】
燃料駆動タービンに基づいた発電機および工場は、長年にわたって存在している。このような発電機および工場は一般的には、空気および燃料蒸気の混合物を燃焼する手段を燃焼室内に含み、これにより、膨張タービンを駆動し、その結果、膨張タービンは、電気を生成する発電機を駆動する。上流コンプレッサタービンの用途としては典型的には、外気を引き込んで、その圧力を上昇させた後、その後この外気を燃焼室内に導入し、ここで、加圧外気を高圧力燃料蒸気と組み合わせ、これを燃焼室内において発火させることで膨張タービンを駆動し、その結果発電機を駆動させて、電気を発生させる。
【０００３】
従来の燃料駆動タービン発電機の別の一般的特徴として、コンプレッサタービン、膨張タービンおよび発電機は典型的には、同一シャフト上に配置されており、そのため、１つが回転するとその他も回転するようになっている。このような場合、システムの動作の開始は、コンプレッサタービンを回転させることによって達成可能であり、この回転の結果、膨張タービンおよび発電機も回転する。すなわち、コンプレッサタービンが回転し始め、外気を圧縮させ、燃焼室内に導入させると、燃料蒸気として生成されたエネルギーが燃焼室内において燃焼させ、これにより膨張タービンの駆動を支援し、その結果、膨張タービンはコンプレッサタービンを継続的に駆動させる。コンプレッサタービン、膨張タービンおよび発電機同一シャフト上に配置されているため、燃焼室によって生成されたエネルギーを用いて膨張タービンを駆動することにより、定常状態条件の動作が達成されるまで、これら３つの構成部品を全て駆動することができる。
【０００４】
しかし、このような構成に起因する不利点として、システムによって生成されるエネルギーのうちおよそ３分の２がコンプレッサタービンの駆動に用いられることが多く、そのため、エネルギー出力合計のうちおよそ３分の１しか電気生成目的のための発電機駆動のために用いることができない点がある。すなわち、システムによって行われる仕事のうち大部分は実質的にリサイクルされ、コンプレッサタービン駆動のために再利用される一方、発電機駆動のために利用可能な仕事量は低減し、その結果、システムが非効率となっている。
【０００５】
この種類のシステムの別の欠点として、入口空気の雰囲気温度が上昇すると、入口空気の密度が上昇し、そのため、コンプレッサタービンの駆動（すなわち、同一量の空気の圧縮および同一量の仕事の実行）を行うために、より多くのエネルギーが必要となる。コンプレッサタービンを駆動するために必要な仕事量が増加すると、このようにさらなるエネルギーが出力から取られて行き、そのため発電機駆動に用いることが可能なエネルギー量が低減し、その結果、同一量の燃料を消費しても、生成されるエネルギー量は低減する。
【０００６】
このような理由のため、空気密度および燃料駆動タービン発電機の効率を増加させる効果を有する、コンプレッサタービン内に導入される入口空気の温度を低減する試みが従来多数行われてきた。吸入温度が低い場合、コンプレッサタービンによって引き込まれる空気がより高密度となりそのため質量流がより高くなり、従って、コンプレッサタービンが自身の仕事を行うのを可能にするために必要なエネルギー量が低減し、その結果、発電機駆動および電気生成に用いることが可能なエネルギー量が増加する。すなわち、システムによって生成されるエネルギーのうちより多くを発電機駆動およびよって電気生成に用いることが可能となる。コンプレッサタービンが消費するエネルギーは、コンプレッサタービンによって加圧される体積流量に基づいているため、冷気がより高密度である場合、この冷気は、同一量の仕事実行またはコンプレッサタービンエネルギーであっても、より多くの圧縮空気質量を燃焼室へと送り込む点に留意されたい。
【０００７】
これらの理由により、従来から、入口空気を冷却した後に入口空気をコンプレッサタービン内に導入するための多様な技術が考案および開発されている。市販されている冷却器のうち最も一般的なものとしては、１）気化冷却器、２）フォギング冷却器、３）高圧フォギング冷却器、４）湿り圧縮冷却器、５）機械的冷却装置、６）吸収冷却装置、および７）液体空気冷却器がある。
【０００８】
これらの冷却システムの不利点として、このようなシステムの多くにおいて特有の不利点があるため、この技術と関連して広範囲の用途に適していない点がある。例えば、フォギング冷却器および気化冷却器は典型的には、入口空気温度を乾球温度（Ｔｄｂ）から湿球温度（Ｔｗ）に低減するだけであり、相対湿度が１００％であるときに、これらの値は相互に等しくなり得（Ｔｄｂ＝Ｔｗ）、この場合、冷却が不可能になる。相対湿度が例えば４０％低まで低下しても、最大温度降下はそれでもＴｄｂ−Ｔｗまたは約華氏１５〜２５度でしかない。このような場合、外気温度が比較的高い（例えば、華氏１００度以上である）場合、達成可能な最低温度は、約７５度〜華氏８５度となり得る。これらの理由に起因して、フォギング冷却器、気化冷却器および湿り圧縮冷却器の場合、据付コストがより低いのにも関わらず、フォギング冷却器、気化冷却器および湿り圧縮冷却器は多くの用途（例えば、高温多湿気候の地域などの世界の多様な地域）において不適切である場合が多い。
【０００９】
機械的冷却器および吸収冷却器もまた据付および動作のコストが高価であり、またメンテナンスコストも高く、これらのコストに起因して、システム効率向上のために入口空気温度を低減することによって達成されるコスト節約効果が大幅に薄まり得る。これらの従来の冷却システムの別の不利点として、これらのシステムは典型的には化学的冷媒（例えば、アンモニア、臭化リチウムおよびフレオン）を使用しているため、環境公害になり得る。各冷却システムの一次熱交換器コイルおよび二次熱交換器コイル内の流体は異なり得、また、コンプレッサも異なるため、初期コスト、メンテナンスコストおよび環境面において許されている流体の廃棄コストも異なる点に留意されたい。臭化リチウムシステムの場合、真空メンテナンスも必要となる。
【００１０】
別の重大な不利点として、これらの従来の冷却システムの場合、従来の燃料駆動タービン発電機と関連して用いられると、入口空気温度を氷点下まで低下させることができない場合が多い。これは、外気中に水分が少しでも存在する場合、氷粒子が形成されて、タービンブレードを損傷し、システム効率を低減させ得るからである。ガスタービンセットの燃焼室内への入り口の形状は典型的にはノズル状またはナセル状となっており、そこから下流方向に短距離を空けた箇所にコンプレッサタービンブレードが設けられ、ナセルの入口断面積はノズルの下流断面積よりも大きい場合が多く、そのため、対気速度の等エントロピー加速が発生し、それと共に温度低下も発生する。そのため、このようにして入口空気温度を低下させた場合に発生し得る関連問題として、コンプレッサタービンのナセル内部に気流経路を構築した場合、内部空気が過冷却され得る（すなわち、規定温度よりも低い温度まで冷却され得る）。入口空気温度を低下させるとシステム効率を高めることができるものの、上述したように、これに伴う不利点として、入口空気温度が氷点下まで低下すると、氷粒子が形成され始め得、その場合、氷粒子に起因して、出力電力が低下するだけでなく、多くの場合においてガスタービン内に空気が加速的に引き込まれるのにつれてこれらの氷粒子が高速タービンブレードに衝突し得、その結果、タービンブレードのピッティングおよび損傷の原因となり得る。
【００１１】
この点について、ナセル内を通過する気流速度が３００フィート／秒以上である場合、入口空気がコンプレッサタービン内に加速される際に、引き込まれた空気を約華氏９〜１０度以上まで冷却することが可能であることが、数学的および経験的に分かっている。このような場合、初期入口空気温度を注意深く氷点温度よりも数度高く設定したとしても、空気がナセル内を通過する際に加速してより低温になると、氷粒子が形成され始め得、これに起因してタービンブレードが損傷され得る。そのため、タービンブレードの損傷回避およびシステム効率維持のためには、特に空気中に水分が少量でも残っている場合に、コンプレッサタービン内への初期入口空気を約華氏４２度よりも高くする必要がある場合が多い。その結果、従来は、システムにおいて入口空気温度を最低約華氏４２度までしか低減することができず、これに起因して、システム効率を向上させることが可能な範囲が限定されていた。
【００１２】
燃料駆動タービン発電機の吸入空気を低減しようとするための試みがなされてきたのにも関わらず、燃料駆動タービン発電機の吸入空気内の氷粒子の形成を回避するために、吸入空気を加熱した後にこの加熱空気をコンプレッサタービン内に入れることが通常行われていた。このような場合、さらなる加熱装置または防氷装置（例えば、再循環された高温コンプレッサ空気を蒸気加熱された熱交換器を用いてまたはさらには電気加熱システムを用いて吸入空気内に送るシステム）が用いられてきた。このようなシステムを用いた場合の不利点として、加熱システムへの電力供給のためにさらなるエネルギーが消費される点がある。その上、入口空気温度を上昇させることにより、入口空気温度を低下させたいとの要望にも関わらず、入口空気温度上昇に起因して、さらなる効率低下が発生する。
【００１３】
上記の不利点に起因して、この種の既存の冷却システムに関連する別の問題として、各システムの操作法は共通していないため、単一のシステムでは、広範の用途に対応できない場合が多い。例えば、フォギング冷却器、高圧フォギング冷却器、湿り圧縮フォギング冷却器および気化冷却器の場合、入口空気温度を十分低温まで低下させることができないため、比較的高温多湿の気候には適していない場合が多い。同様に、機械的冷却装置および吸収冷却装置の場合、据付コストおよび作動コストが高すぎる場合があり、当該装置によって得られる効率向上を差し引いても、環境面での懸念が出てくる場合がある。そして、最も重大なことに、従来の冷却システムの場合、（ほとんどの場合そうであるが）例えば空気中に少しでも水分が有る場合、入口空気温度を約華氏４２度よりも低い温度までしか低下させることができないという不利点がある。
【００１４】
よって、必要とされているのは、さらなるシステム効率の低減を引き起こすこと無く燃料駆動タービン発電機セットの効率を向上させることが可能な、代替的システムである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、従来の燃料駆動タービン発電機の改善に関する。本システムは好適には、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスを用いて超冷却空気を生成することにより、低温かつ乾燥した入口空気を生成する手段を用いる。この低温かつ乾燥した入口空気をコンプレッサタービン内に注入することで、その作動をより効率的にすることができる。しかし、従来の入口空気冷却装置と対照的に、本発明は好適には、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスから放出および膨張された圧縮空気を利用し、これにより超冷却空気を生成する。前記システムによって生成される、燃料駆動タービン発電機内に引き込まれる入口空気は、ただ冷たいだけではなく、冷たくかつ「乾燥している」ため、タービンブレードを損傷しない。また、従来のシステムと対照的に、入口空気からの水分は好適には遠心分離機により外気から除去されるため、入口空気がナセルを通じて加速されコンプレッサタービン内に入る際に生成される氷粒子は、タービンブレードを損傷しない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本システムの１つの利点として、コンプレッサ、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイスの組み合わせ（本明細書中以下「ＣＴＴデバイス」）を用いて、圧力下で空気を圧縮した後にこの圧縮空気を放出して、超冷却空気を生成する点がある。ＣＴＴデバイスは、その名の通り、好適には第１のコンプレッサを有する。第１のコンプレッサは、起動時に圧縮を開始し、空気を駆動してターボエキスパンダの回転を開始させ、その後、ターボエキスパンダおよびターボコンプレッサは共通シャフト上にあるため、ターボエキスパンダの回転に起因してターボコンプレッサも回転する。数秒後、動作は定常状態条件に入り、ターボコンプレッサは継続して空気圧縮を行い、ターボエキスパンダは空気膨張を継続的に行い、最終的には、これにより超冷却空気が生成される。
【００１７】
その後、ＣＴＴデバイスによって生成された超冷却空気を外気と混合して、比較的低温の入口空気を生成して、燃料駆動タービン発電機のコンプレッサタービン内に導入することができる。しかし、このような場合、好適には混合区画または排出装置を設けるとよい。このような混合区画または排出装置内において冷却空気を外気と混合する。超冷却空気は好適には、開口部を通じてＣＴＴデバイスから排出装置内へと導入され、より高温となった外気が、１つ以上のさらなる開口部を通じて導入される。ここで、超冷却空気の速度により、外気を開口部を通じて排出装置内に引き込む過程を支援することができる。その後、２つの空気質量が混合されるため、比較的低温かつ乾燥した質量空気流が出現し、この流れを入口空気として用いて、燃料駆動タービン発電機の効率を増加させることができる。
【００１８】
上述したように、冷気を生成しておよびこの冷気をコンプレッサタービン内の入口空気として用いることによって得られる利点として、冷気がより高密度となりかつより高い質量流を持つようになるため、コンプレッサタービンは、同等の体積の入口空気を燃焼室内に圧縮する際ほどには全力で機能する必要が無くなる。そのため、コンプレッサタービンは、外気圧縮の際により少量のエネルギーを消費し、その結果、より多くのエネルギーを発電機駆動に用いることが可能になる（すなわち、システムによって生成されたエネルギーのうちより多くを発電機駆動および電気生成に用いることができる）。その結果、コンプレッサタービンを作動させる際に必要なエネルギー量がより少量となり、その結果、有利なことに発電機駆動の際に利用可能なエネルギー量が増大し、その結果、消費される燃料単位体積当たりのシステムが電気生成能力の増大が支援される。
【００１９】
本システムの別の利点として、ＣＴＴデバイスによって生成された超冷却空気を用いて、入口空気からの水分除去およびタービンブレードを損傷し得る氷粒子の生成の回避を行うことが可能な点がある。これは、外気中の水蒸気を瞬間冷凍した後に氷粒子（氷粒子内に捕獲された固体粒子を含む）を冷却空気から分離する手段として超冷却空気を用いることにより、達成される。すなわち、高温の外気が超冷却空気と混合されると、外気中の水蒸気のうちほとんどを瞬間冷凍して、微小な氷粒子を形成することが可能になる。その後、氷粒子が分離区画（または遠心分離機）の底部へと落下すると、低温かつ乾燥した空気を好適にはサイドダクトまたは通路内に方向付けることが可能である。このサイドダクトまたは通路は、遠心分離機軸に対して約９０度で延び、ここで、高速氷粒子は、その直線状の慣性軌跡をたどって底部へと続き、低温かつ乾燥した空気が角部を回って通路を通過し、空気が通過箇所には氷粒子が残される。その結果、低温かつ「乾燥した」空気が生成される。その後、この空気をガスタービン発電機内に導入することができる。
【００２０】
上述したように、低温の入口空気から氷粒子を除去することで、システム効率が向上するだけでなく、ピッティングおよびタービンブレードの損傷が回避される。燃料駆動タービン発電機のコンプレッサタービン内への入口は典型的にはノズル状またはナセル状をしており、比較的幅広の開口部に続いて、比較的幅狭のナセルが設けられている。このナセルにおいて、コンプレッサタービンブレードが設けられている。そのため、入口空気がナセルを通じて加速されると、流路の狭窄に起因して、引き込まれた空気において近似的な断熱加速が発生し得、この状態がエンタルピー低減と関連付けられ、その結果、温度降下が大幅に大きくなり得る。入口空気温度を低くするとシステム効率は向上するが、これによる不利点として、入口空気温度を低減し過ぎた場合（すなわち、氷点下まで低減した場合）、氷粒子が形成され得、その結果、氷粒子のタービンブレードへの衝突およびタービンブレードの損傷が発生し得る。
【００２１】
上述したように、本ＣＴＴデバイスの利点の１つとして、タービンブレードの損傷の原因となり得る氷粒子が形成される危険性無く、入口空気温度を氷点下よりもずっと低くすることができる点がある。正確には、低温かつ乾燥した入口空気の温度を氷点下に低減することができる。すなわち、入口空気温度を従来のシステムの場合よりもずっと低温にすることができるため、システムを従来のシステムよりも高効率にすることが可能になる。さらに、従来の試みにおいて生成可能なエネルギー量の低減の原因となっていた、氷粒子の形成を回避するためのさらなる加熱システムが不要となる。別の利点として、化学的冷媒を用いない点がある。本発明において用いられるのは空気のみである。
【００２２】
別の実施形態において、遠心分離機において溶融した氷粒子として生成された冷却水を用いて、補助デバイスを冷却することができる。すなわち、氷粒子は遠心分離機の底部において収集されるため、これらの氷粒子を解凍して、冷却水を生成することができ、この冷却水を関連付けられたデバイス（例えば、熱エネルギー保存システム）へと送ることができ、送り先において冷却水を後で使用できるよう保存することができる。熱エネルギー保存システムは好適には、層別化タンクを含む。この層別化タンク内に冷却水を保存することができ、この層別化タンクから冷却水を除去することで、補助デバイスの冷却（例えば、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩など）を行うことができる。冷却水を用いてこれらのデバイスに対して必要な冷却をおこなった後、水を層別化タンク内に再循環させることができ、ここでこのようにいて冷却水を保存することにより、水を必要なときに必要なだけ利用可能にすることが可能になる。
【００２３】
別の実施形態において、冷却水を先ず保存すること無く、冷却水を用いてＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのために直接的に冷却を提供することができる。
【００２４】
熱交換器を用いて、ＣＴＴデバイスにおって生成された熱を引き出し、この熱を蒸気タービン発電機システムおよび／または前記蒸気タービン発電機システムと関連付けられた冷却装置システムへと移動させることで、その性能を向上させることができる。これらの熱交換器は好適には、冷却剤（例えば、水）を含む。このような冷却剤をコンプレッサユニットを通過させることで、ＣＴＴデバイスから熱を関連付けられた蒸気タービン発電機デバイスおよび／または冷却装置システムへと送ることができる。
【００２５】
蒸気発生器の場合、事前加熱された水を関連付けられたボイラーのために利用可能とすることができ、これにより、ボイラー中の水をより少量の追加エネルギーにより沸騰させることができる。ＣＴＴデバイスから熱を引き出しかつ冷却剤水を事前加熱してから冷却剤水をボイラー内に導入することにより、蒸気タービン発電機がより高効率になるだけでなく、システム全体を電気生成においてより高効率にすることができる。蒸気駆動タービン発電機は、ボイラーを用いて蒸気を生成し、その後蒸気により蒸気タービンを駆動することで発電機を駆動して電気を生成することが可能な任意の従来の種類でよい。
【００２６】
吸収冷却装置の場合、熱化学コンプレッサを用いることで、或る種の化学物質は他の化学物質に溶解し易いという点を生かすことができる。すなわち、冷媒との親和性が高い吸収剤溶液中に当該冷媒を溶解させることができる。その後、冷媒は位相を変化させ、システム全体内において循環することができ、システム内において好適には電気ポンプを設けて吸収剤溶液を発電機部内へと移動させ、ここで、ＣＴＴデバイスからの熱を適用して冷媒蒸気を溶液から追い出して蒸発器内に入れて、必要な箇所に冷却を提供する。この場合、使用される熱は、ＣＴＴデバイス熱交換器によって生成された熱から導出される。
【００２７】
さらなる利点および改善が、以下の図面の説明および本発明の詳細な説明を読めば明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】燃料駆動タービン発電機（例えば、ＣＴＴデバイス、蒸気タービン発電機、および燃料駆動タービン発電機セット）の効率を上げるための多様な構成部品および方法工程を示す模式図である。
【図２】超冷却空気を生成するためのコンプレッサ、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダを備えたＣＴＴデバイスの実施形態の模式図であり、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダが共通シャフト上に設けられ、コンプレッサから熱を除去するための２つの熱交換器が設けられている。
【図３−１】図３はＣＴＴデバイスの実施形態の多様な構成部品および方法工程を示す模式図であり、このＣＴＴデバイスは、コンプレッサ、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダ、２つの熱交換器、混合区画（排出装置）、分離区画（遠心分離機）、および関連付けられた熱エネルギー保存システムを含む。
【図３−２】図３Ａは熱交換器をＣＴＴデバイスと共に用いた結果発生し得る温度変化の一例を示す図である。
【図３−３】図３ＢはＣＴＴデバイスとの共用を企図した逆流熱交換器の内部の仕組みを示す模式図である。
【図４】ＣＴＴデバイスによって提供された加熱された冷却剤を蒸気ボイラー用の事前加熱された水として用いる蒸気タービン発電機システムの多様な構成部品を示す模式図であり、このシステムは、蒸気タービンおよび発電機をより効率的に用いて電気を生成することができる。
【図５】コンプレッサタービン、燃焼室、膨張タービンおよび発電機を含む燃料駆動タービン発電機セットの多様な構成部品を示す模式図である。
【図６】既存の圧縮空気源を用いて冷却空気を生成するためのターボコンプレッサおよび２段ターボエキスパンダデバイスの別の実施形態を示す模式図である。共通シャフトがターボコンプレッサとターボエキスパンダとの間に延び、少なくとも１つの熱交換器が、ターボコンプレッサから熱を除去するために設けられている。
【図７】図２および／または図６中の空気の状態特性を含む、サンプルシステムの温度および圧力を示す図である。
【図８】混合区画（排出装置）の多様な構成部品を示す模式図である。この混合区画（排出装置）を用いて、外気とＣＴＴデバイスからの超冷却空気とを混合して冷気を生成することができ、この冷気を入口空気として燃料駆動タービン発電機内に導入することができる。
【図９−１】図９は分離区画（遠心分離機）の多様な構成部品を示す模式図である。この分離区画（遠心分離機）を用いて、外気中に含まれる水蒸気をＣＴＴデバイスからの超冷却空気を用いて瞬間冷凍することができる。蒸気が凍結して氷粒子が生成されると、高速氷粒子が自身の慣性によって遠心分離機の底部へと落下し、区画に対して実質的に垂直に延びた通路またはサイドダクトを通じて冷気が方向付けられ、ここで、氷粒子を冷却空気から除去して、低温かつ「乾燥した」空気を生成することができる。
【図９−２】図９Ａは分離区画（遠心分離機）の構成部品を示す別の模式図である。この分離区画（遠心分離機）を用いて、外気中に含まれる水蒸気をＣＴＴデバイスからの超冷却空気を用いて瞬間冷凍することができる。蒸気が凍結して氷粒子が生成されると、高速氷粒子自身の慣性によって遠心分離機の底部へと落下し、区画に対して実質的に垂直に延びた通路またはサイドダクトを通じて冷気が方向付けられ、ここで、氷粒子を冷却空気から除去して、低温かつ「乾燥した」空気を生成することができる。
【図１０】熱エネルギー保存システム（より詳細には、氷粒子として形成された冷水を保存し、この水を遠心分離機内において溶解させるための「層別化」タンク）の多様な構成部品を示す模式図である。ここで、冷水を保存し、この冷水を用いて、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却を提供することができ、熱交換器からの温水を熱エネルギー保存タンクの上部において保存することができる。
【図１１】燃料駆動タービン発電機によって生成可能な出力と、コンプレッサタービン内に導入される多様な入口空気温度との比較を示す出力チャートである。
【図１２−１】図１２Ａは２段ターボコンプレッサおよび２段ターボエキスパンダセットを２段コンプレッサと共に用いて冷却空気を生成するＣＴＴデバイスの別の実施形態を示す模式図である。ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダセットは共通シャフト上に設けられ、コンプレッサからの熱を除去するための複数の熱交換器が設けられている。
【図１２−２】図１２Ｂは図１２Ａに示すＣＴＴデバイスの状態特性チャートである。
【図１３】３つの異なるターボエキスパンダ能力を用いて所定の温度の入口空気を生成するための、外気および超冷却空気の相対混合比を示す図である。
【図１４】図１２Ｂおよび図１３に示す例に基づいた出力／入力比を示すチャートである。
【図１５】解凍水を受けたＴＥＳシステムの正味の出力効果を示すチャートである。
【図１６】別の実施形態を示す模式図であり、オフピーク時間帯において圧縮空気を高圧容器内に保存し、ピーク時間帯において圧縮空気を解放して、超冷却空気を生成するターボエキスパンダを駆動する。
【図１７】吸収冷却装置の機能様態を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、システム１の多様な構成部品を示す。以下に、後でより詳細に説明する構成部品の概要について説明する。
【００３０】
１）ＣＴＴデバイス：コンプレッサ、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダデバイス３（ＣＴＴデバイス３と呼ぶ）は好適には、コンプレッサ５（１段、２段または３段）と、ターボコンプレッサ９（１段または２段）と、ターボエキスパンダ１３（１段または２段）と、１つ以上の熱交換器（例えば、７および１１）（それぞれ、各コンプレッサ５および９の下流）と、混合区画（排出装置）１５と、分離区画（遠心分離機）１７と、熱エネルギー保存システム（ＴＥＳ）２１とを含む。ＣＴＴデバイス３は好適には、超冷却空気を生成する。この超冷却空気を排出装置１５内の暖かい外気と混合することができ、ここで、形成された氷粒子を遠心分離機１７の底部に堆積させることができ、その結果得られた低温かつ乾燥した空気を水平通路またはダクト４２を通過させることで、この空気を氷粒子から分離させることができる。この水平通路またはダクト４２は、図９に示すように、遠心分離機１７の垂直軸に対して実質的に垂直方向に延びる。熱交換器７および１１は、ＣＴＴデバイス３から熱を引き出すために用いることができ、補助発電機（例えば、蒸気タービン発電機１９または冷却装置１３０）において用いることができる。
【００３１】
２）蒸気発生器：蒸気タービン発電機１９は、ボイラー２０と、蒸気タービン２２と、タービンブレード２４と、発電機２８とを含む。ボイラー２０は、ＣＴＴデバイス３から放出された事前加熱された冷却剤水を用いて、タービン２２のための蒸気を生成する。これは、任意の従来の蒸気タービン発電機であってよく、事前加熱された冷却剤により、蒸気のより効率的な生成が支援され、その結果、蒸気タービン発電機１９は電気をより効率的に生成することができる。
【００３２】
３）ＴＥＳ：ＣＴＴデバイス３から放出された冷却水を保存するための熱エネルギー保存システム２１（「ＴＥＳ」）。図１０に示すように水を層別化タンク６０内に保存し、この水をＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却目的のために用いることができる。
【００３３】
４）燃料／発電機セット：燃料駆動タービン発電機セット２３は好適には、コンプレッサタービン２５と、燃焼室２７と、膨張タービン３３と、ＣＴＴデバイス３によって生成された低温かつ乾燥した空気をコンプレッサタービン２５内への入口空気として用いることが可能な発電機３４とを含む。コンプレッサタービン２５は好適には、低温かつ乾燥した入口空気を燃焼室２７内に圧縮するように適合され、ここで、燃料蒸気は好適には室２７内に導入され、圧縮空気と混合され、これにより、この混合物を燃焼して、膨張タービン３３を駆動することができる。膨張タービン３３は発電機３４と同じ上に設けられているため、膨張タービン３３が回転すると、発電機３４が回転し、電気が生成される。また、コンプレッサタービン２５も同一シャフト上に設けられているため、３つの構成部品全てを共に回転することができ、定常状態条件の動作に到達させることができる。ここで、３つの構成部品全てを膨張タービン３３によって駆動することができる。
【００３４】
図１７に示すような冷却装置システム１３０もまた、ＣＴＴデバイス３から放出された事前加熱された冷却剤水からの熱を用いて、冷媒蒸気を蒸発器１３４内に入らせることができる。吸収冷却装置の場合、蒸気圧縮サイクルを進めるための機械的コンプレッサを用いる代わりに、吸収冷却装置１３０は熱化学コンプレッサ１３２を用いることができ、（冷媒との高い親和性を有する）吸収剤溶液中に当該冷媒が溶解し、この冷媒が位相を変化させ、システム全体内において循環する。吸収剤溶液を発電機部内に移動させるための電気ポンプを設けると好適であり、熱を（ＣＴＴデバイス３から）付加して、溶液から冷媒蒸気を追い出して、蒸発器１３４内へと入らせることができる。
【００３５】
ここで、システム１の各構成部品についてより詳細に説明する。
１．ＣＴＴデバイス（排出装置および遠心分離機を含む）
図３は、ＣＴＴデバイス３の実施形態を示す。ＣＴＴデバイス３は、コンプレッサ５をターボコンプレッサ９およびターボエキスパンダ１３と接続する。図２は、ＣＴＴデバイス３の基本的動作の模式図である。ＣＴＴデバイス３の動作は、コンプレッサ５と共に開始する。先ず、コンプレッサ５は、好適には別個の電源を用いて、雰囲気入力空気を基準となる約９０ｐｓｉａなどまで加圧する。コンプレッサ５は好適には外気を加圧し、その後この外気はターボコンプレッサ９内に導入され、これが発生すると、ターボコンプレッサ９およびターボエキスパンダ１３は同一シャフト上に設けられているため、ターボコンプレッサ９およびターボエキスパンダ１３は共に回転し始める。ターボコンプレッサ９とターボエキスパンダ１３との間に延びる共通シャフト１２（「フリースピンドル」）により、定常状態条件の動作が達成されるまで、ターボエキスパンダ１３によって生成されるトルク（機械仕事）によりターボコンプレッサ９を駆動することが可能となる。ターボエキスパンダ１３によって生成されるシャフト１２の回転速度は好適には、ターボコンプレッサ９が平衡入力圧力に到達するまでターボコンプレッサ９を駆動するための十分な出力を提供する。定常状態条件の動作が達成された（すなわち、数秒以内）場合、ターボコンプレッサ９は、コンプレッサ５によって圧縮された空気を継続的に圧縮する。その後、圧縮空気はターボエキスパンダ１３内に入り、放出されて、超冷却空気が生成される。
【００３６】
ＣＴＴデバイス３好適には、熱交換器７および１１を有する。熱交換器７および１１は、圧縮空気がコンプレッサ５およびターボコンプレッサ９によってそれぞれ圧縮されているときの圧縮空気の温度の低減を支援する。このようにして、燃料駆動発電機セット２３によって生成されかつ燃料駆動発電機セット２３内に導入されている冷却空気の温度に影響を与えることもまたこの温度をオフセットさせることなく、コンプレッサによって生成された熱を放出することができる。
【００３７】
この点について、第１の熱交換器７は好適には、任意の従来の種類のもの（例えば、水などの冷却剤を用いて、コンプレッサ５（およびコンプレッサ５によって生成される圧縮空気）から熱を引き出す逆流型のもの）である。この種の熱交換器の場合、熱交換後は、前記冷却剤は、関連付けられた発電機（例えば、蒸気タービン発電機１９および／または吸収冷却装置１３０）に移動される。第１の熱交換器７は好適には、コンプレッサ５によって生成された高温の圧縮空気中に含まれる熱を強制的に冷却剤へと移動させる。ここで、冷却剤が加熱されると、コンプレッサ５によって生成された圧縮空気の温度を実質的に低減することができる。
【００３８】
第２の熱交換器１１は好適には、ターボコンプレッサ９からの熱移動を支援するために設けられる。熱交換器１１は、第１の熱交換器７と実質的に同様の様態で動作する。第２の熱交換器１１は好適には、ターボコンプレッサ９（およびターボコンプレッサ９によって生成される圧縮空気）から熱を引き出すために冷却剤を用いる、任意の従来の種類のものである。この種の熱交換器の場合、熱交換後は、前記冷却剤は、関連付けられた発電機（例えば、蒸気タービン発電機１９および／または吸収冷却装置１３０）に移動される。
【００３９】
好適には、熱交換器７および１１は、図３ｂに示すような逆流熱交換器である。このような場合、冷却剤水は好適には、入口点７１において熱交換器７または１１内に導入され、加熱された冷却剤水は、その反対側にある出口点７３を通じて出て行く。一方、コンプレッサ５および／またはターボコンプレッサ９によって生成された圧縮空気は、場合によっては好適には反対方向に導入され、この場合、加熱された圧縮空気は好適には入口点７５において熱交換器７または１１に入り、冷却され加熱された空気は出口点７７を通じて出て行く。このようにして、加熱された空気が同一端内に導入され、ここで、加熱された水が出て行き、それと同時に、比較的低温の水が同一端部７１内に導入され、ここから冷気が出て行く７７。この結果、熱交換器７および１１のより効率的な動作が支援される。
【００４０】
空気がコンプレッサ５によって圧縮および加熱されると、熱交換器７は、この熱を引き出し、前記空気の温度を低減させることができ、それと同時に、その圧力を増加させることができる。例えば、前記空気を華氏４５０度まで加熱することができる。熱交換器７は、前記空気の温度を華氏７０度まで低下させることができる。その場合、空気圧力を約９０ｐｓｉａまで上昇させることができる。前記空気が再度ターボコンプレッサ９によって圧縮および加熱されると、熱交換器１１は同様に熱を引き出し、その温度を低下させることができ、それと同時に、その圧力をさらに上昇させることができる。例えば、前記空気を華氏２７０度まで加熱することができる。熱交換器１１は、温度を華氏７０度まで低下させることができ、その圧力は約２１５ｐｓｉａまで増加させることができる。
【００４１】
これを図３Ａ中に模式的に示す。図３Ａ中、加熱された圧縮空気は、比較的高温（例えば、華氏２７２度として図示）と共に開始するが、熱交換器を出て行くときには比較的低温（華氏７０度として図示）になっている。同様に、冷却剤水は好適には、熱交換器に入る際に比較的低温（華氏５５度として図示）になっており、出て行くときは比較的高温（華氏１８０度として図示）になっている。その後、加熱された水を蒸気タービン発電機１９のボイラー２０へと移動させ、この水を用いて、蒸気をより効率的に生成することができる。典型的なコンプレッサの効率はわずか７５％であるため、熱交換器を用いることにより、当該コンプレッサによって生成された熱取り戻しその一部を使用し、このような２５％のエネルギー損失のうち一部を取り戻すことができる。
【００４２】
本明細書中説明しまた図面中に示した温度および圧力値は全ておおおよその値であり、各場合において、変更不可能な凍結温度を除いて、その他の値はひとえに例示目的のためのものであることがわかり、そのため、限定的なものとして解釈されるべきではないこと分かり、また、このような値よりも高い値または低い値も企図され得ることが理解されるべきである。
【００４３】
ターボエキスパンダ１３のためのさらなる熱交換器も設けられ得る。この熱交換器は、ターボエキスパンダが回転する際に発生する摩擦に酔って生じる熱を引き出することができる。軸受は小さな摩擦を生成するように設計されているが、典型的なターボエキスパンダは３０，０００ＲＰＭで回転可能であるため、熱が発生し得、この熱に熱交換を施して軸受を冷却することが必要になり得る。ターボエキスパンダの効率は典型的にはわずか８５％であるため、熱交換器を用いてターボエキスパンダから生じる熱の一部を用いることにより、１５％のエネルギー損失のうち一部を取り戻すことができる。
【００４４】
熱交換器７および１１は好適には、圧縮空気を室温（すなわち、約華氏７０度）において維持することを支援する。好適な最終圧力は約２１５ｐｓｉａ以上である。その後、この圧縮空気をターボエキスパンダ１３によって放出および膨張させることができ、その結果、圧縮空気の圧力が例えば１４．６７ｐｓｉａまで降下する。その結果、空気の温度も、例えば室温から華氏マイナス１５０度〜華氏マイナス２００度以上まで実質的に降下する。このような実質的な温度低下は、熱交換器７および１１によって引き出された熱と、ターボエキスパンダ１３が同一シャフト上のターボコンプレッサ９を駆動する際に用いられたエネルギーとに起因するエネルギー損失に部分的に起因する。ＣＴＴデバイス３の主な目的は、入口空気温度を雰囲気温度から華氏マイナス１５０度〜華氏マイナス２００度以上まで低下させることであり、その後、この超冷却空気を外気と混合して、比較的低温かつ乾燥した空気を生成して、コンプレッサタービン２５内に導入することができる。
【００４５】
図６に示す別の実施形態５１において、実施形態５１は、既存の圧縮空気源５３が利用可能であり、別個のコンプレッサ５が不要である場合に用いることができる。提案の用途５１において、ＣＴＴデバイス３の動作を開始させたコンプレッサ５は用いられず、この実施形態では、現場において利用可能な既存の源５３によって供給可能な圧縮空気を企図している。そのため、システムにおいて必要なのは、ＣＴＴデバイス全体ではなく、水冷却されたフリースピンドルターボコンプレッサ５５およびターボエキスパンダ５６（ＴＴデバイス５１）のみであるが、ＣＴＴデバイス３と同様に、この種のものは好適には、ターボコンプレッサ５５とターボエキスパンダ５６との間に延びる共通シャフト５７を有し、これにより、定常状態条件の動作を経時的に達成することができる。また、この種のものは好適には、ターボコンプレッサ５５（およびターボコンプレッサ５５によって生成される圧縮空気）からの熱移動を支援する少なくとも１つの熱交換器５８を有する。同様に、上述したようにターボコンプレッサ５５によって生成された熱を例えば冷却剤へと移動させることができ、その後、熱を関連付けられたデバイス（例えば、蒸気タービン発電機１９または冷却装置１３０）へと移動させることができる。
【００４６】
図７は、ＣＴＴデバイス３およびＴＴデバイス５１双方について、気流経路内の各点における可能な空気特性の計算の一例を示す。状態１および２はコンプレッサ５によって生じる特性を指し、この特性はＴＴデバイス５１には無いため、状態１および２はＣＴＴデバイス３のみに当てはまり、ＴＴデバイス５１には当てはまらない点に留意されたい。ＴＴデバイス５１の場合、ターボコンプレッサ５５を駆動するために用いられる初期空気圧力は、コンプレッサ５の代わりに、既存の圧縮空気源５３によって提供することができる。そのため、ＴＴデバイス５１により、システムは、状態３においてターボコンプレッサ５５内に入る圧縮空気と共に開始し、この圧縮空気は本例において、約９０ｐｓｉａの空気圧力および約華氏７０度の空気温度を有する。図７において状態３から開始するその他の条件は、ＣＴＴデバイス３およびＴＴデバイス５１双方に適用可能である。
【００４７】
いずれの場合においても、圧力比が８よりも低い場合、１段ターボエキスパンダで対応可能であることが多いが、多くの用途においてより高い圧力比（例えば、１５）が用いられる場合、２段ターボエキスパンダが必要となり得る点に留意されたい。
【００４８】
図１２Ａは、２段ターボエキスパンダＣＴＴデバイス８０を示す。２段ターボエキスパンダＣＴＴデバイス８０は、２段コンプレッサ８２と、２段ターボコンプレッサ８６および９０と、２段ターボエキスパンダ９４および９６とを多様な熱交換器（例えば、８４、８８、９２）と共に有する。外気は先ずコンプレッサ８２による作用を受け、ここで、第１の熱交換器８４が加熱された空気の温度を低下させることが分かる。その後、圧縮空気は第１のターボコンプレッサ８６による作用を受け、前記空気はさらに圧縮され、ここで、第２の熱交換器８８は同様に、加熱された空気の温度を低下させる。上記のさらに圧縮された空気は次に第２のターボコンプレッサ９０による作用を受け、前記空気は第２のターボコンプレッサ９０によってさらに圧縮され、ここで、第３の熱交換器９２は同様に、前記空気の温度を低下させる。その後第１のターボエキスパンダ９４および第２のターボエキスパンダ９６が続き、第１のターボエキスパンダ９４および第２のターボエキスパンダ９６は、前記圧縮空気を膨張および放出して、超冷却空気を生成する。
【００４９】
そのため、外気は好適には、（ボックス１において８１によって示すように）雰囲気温度および雰囲気圧力においてコンプレッサ８２内に導入される。電気入力８３が好適には、コンプレッサ８２を駆動するために提供される。その後、コンプレッサ８２は、外気を圧縮し始め、その結果、圧縮空気の温度が上昇する。この点において、図１２Ｂに示すように、その結果得られた圧力は９０ｐｓｉａであり得、温度は華氏４２６度であり得る。しかし、コンプレッサ８２の効率は完全に高いものではない（すなわち、コンプレッサ８２の効率は典型的にはわずか８５％である）ため、コンプレッサ８２によって生成される圧縮空気は、最大温度を達成しない（すなわち、例えば、前記空気は華氏３７３度以下であり得る）。この点について、（この温度低下の）廃熱は好適には、コンプレッサ８２を含む材料によって吸収され、そのため、水冷却剤８５は好適には、コンプレッサ８２内を循環して、熱を引き出す。次に、この入力電力の１５％を好適には、水冷却剤により、蒸気駆動発電機１９または利用可能な近隣の冷却装置１３０の入力のいずれかに移動させる。処理された空気を（単位：ポンド／時間）２１３．１―２００．１＝１３ＢＴＵ／ＬＢの空気によって乗算すると、無駄な出力を最大値で回復させることができる。
【００５０】
次に、コンプレッサ８２から出て行った圧縮された加熱空気は好適には、（ボックス２によって示すように）第１の熱交換器８４を通じて送られ、ここで、圧縮空気の温度を低下させることができる。第１の熱交換器８４は、任意の従来の種類のもの（例えば、上述したような逆流型）でよい。第１の熱交換器８４は好適には圧縮空気から熱を引き出し、熱が一旦交換された後、関連付けられた蒸気タービン発電機１９および／または吸収冷却装置１３０へと冷却剤を移動させることができる。第１の熱交換器８４は好適には、コンプレッサ５によって生成される高温圧縮空気からコンプレッサ５内に含まれる熱を冷却剤へと強制的に送り、ここで、前記冷却剤は加熱され、前記圧縮空気の温度を実質的に低下させることができる。
【００５１】
この点において、熱交換器８４の目的は、圧縮空気の温度を室温程度まで低下させた後に、この圧縮空気を第１の段ターボコンプレッサ８６へと送ることである。例えば、コンプレッサ８２から出て行く空気の温度が華氏３７３度である場合、第１の熱交換器８４は好適には、前記空気の温度を約華氏７０度まで低下させた後、この空気を第１の段ターボコンプレッサ８６内へと入らせる。圧縮空気の圧力は好適にはほぼ同一（すなわち、約９０ｐｓｉａ）のままであるが、第１の熱交換器８４内を通る気流に起因して、小さな圧力降下が発生し得る。処理された空気を（単位：ポンド／時間）をＱ１＝７３．９ＢＴＵ／ＬＢの空気によって乗算すると、好適には、コンプレッサ８２の下流の第１の熱交換器８４からの出力を最大値まで回復される。
【００５２】
第１の熱交換器８４からの圧縮空気は好適には、（ボックス３に示すように）第１の段ターボコンプレッサ８６内へと導入され、ここで、前記空気はさらに圧縮される。例えば、この点において、図１２Ｂに示すように、前記空気は好適には９０ｐｓｉａから約１２３ｐｓｉａへと圧縮され、その結果、前記空気の温度は華氏７０度から約華氏１２０度まで上昇する。しかし、ターボコンプレッサ８６の効率は完全ではないため、圧縮空気は最大温度を達成しない。例えば、（図１２Ｂ中に状態３と状態４との間に示すように）１０．１ＢＴＵ／ＬＢなどの損失があり得、その場合、出力温度は華氏１１２度になり得る。この点について、この温度降下の廃熱は、コンプレッサ８６を含む材料によって吸収され得、そのため、ターボコンプレッサ８６内に水冷却剤を循環させる必要がでてき得る。ターボコンプレッサ８６からの冷却剤水は好適には、蒸気駆動発電機１９へかまたは近隣の冷却装置１３０へと出力回復のために送られ、これにより、１０．１ＢＴＵ／ＬＢの空気が送られる。
【００５３】
その後、ターボコンプレッサ８６から出て行く圧縮空気は好適には（ボックス４によって示すように）第２の熱交換器８８を通じて送られ、ここで、圧縮空気の温度は低下される。第２の熱交換器８８は、上述した逆流型などの任意の従来の種類のものでよく、好適には圧縮空気から熱を引き出す。熱交換後、冷却剤は好適には関連付けられた蒸気タービン発電機１９または冷却装置１３０へと移動され、圧縮空気の温度を例えば室温まで実質的に低下させることができる。処理された空気を（単位：ポンド／時間）Ｑ２＝１０．２２ＢＴＵ／ＬＢの空気によって乗算すると、好適には、第１の段ターボコンプレッサ８６からの下流の第２の熱交換器８８からの出力値を最大値まで回復させることができる。
【００５４】
この点において、第２の熱交換器８８の目的は、圧縮空気の温度をおおよそ室温まで低下させた後、この空気を第２の段ターボコンプレッサ９０へと送ることである。例えば、ターボコンプレッサ８６から出て行く空気の温度が華氏１１２度である場合、第２の熱交換器８８は好適には、前記空気の温度を約華氏７０度まで低下させた後、第２の段ターボコンプレッサ９０内へと入らせる。前記圧縮空気の圧力は好適にはほぼ同じ（例えば、１２３ｐｓｉａ）であるとよいが、第２の熱交換器８８内を通る気流に起因して、若干の最小程度の圧力降下は発生し得る。
【００５５】
次に、第２の熱交換器８８から出て行った圧縮空気は好適には、（ボックス５によって示すように）第２の段ターボコンプレッサ９０内へと導入され、ここで、前記空気はさらに圧縮される。例えば、この点において、図１２Ｂに示すように、前記空気は好適には、約１２３ｐｓｉａから約２１５ｐｓｉａまで圧縮され、その結果、前記空気の温度も例えば華氏７０度から約華氏１６２度まで増加する。しかし、ターボコンプレッサ９０の効率は完全ではないため、前記圧縮空気は最大温度を達成しない。例えば、（図１２Ｂにおいて状態５と状態６との間に示すように）１８．７ＢＴＵ／ＬＢなどの損失があり得、その場合、出力温度は華氏１４８度となり得る。この点について、この温度降下の廃熱は、ターボコンプレッサ９０を含む材料によって吸収され得、そのため、水冷却剤をターボコンプレッサ９０内でも循環させるべきである。ターボコンプレッサ９０からの冷却剤水は好適には、蒸気駆動発電機１９へかまたは近隣の冷却装置１３０へと出力回復のために送られ、これにより１８．７ＢＴＵ／ＬＢ空気を送る。
【００５６】
その後、第２の段ターボコンプレッサ９０から出てきた圧縮空気は好適には、（ボックス６によって示すように）第３の熱交換器９２を通じて送られ、ここで、圧縮された加熱された空気の温度が低下される。第３の熱交換器９２は、上述した逆流型などの任意の従来の種類のものでよい。第３の熱交換器９２は好適には、圧縮空気から熱を引き出し、熱交換後、冷却剤は関連付けられた蒸気タービン発電機１９または冷却装置１３０へと移動され、前記圧縮空気の温度を実質的に低下させることができる。処理された空気を（単位：ポンド／時間）Ｑ３＝１９．３５ＢＴＵ／ＬＢの空気によって乗算すると、第２の段ターボコンプレッサ９０からの下流の第３の熱交換器９２からの出力値を最大値まで回復させることができる。
【００５７】
その後、第３の熱交換器９２から出てきた圧縮空気は好適には、（（ボックス６によって示すように）第１の段ターボエキスパンダ９４内に導入され、ここで、前記圧縮空気は放出および膨張される。例えば、この点において、約２１５ｐｓｉａまで圧縮されている空気を、圧力が５５ｐｓｉａまで低下するまで、放出することができる。ここで、その温度は、図１２Ｂに示すように華氏マイナス１０２度に到達し得る。しかし、状態７と状態８との間の損失（例えば、９０．７７−８４．６７＝６．１ＢＴＵ／ＬＢ）に起因して、図１２Ｂに示すように、実際の出力温度は、華氏マイナス７７度となる可能性がより高い。第１の段ターボエキスパンダ９４からの冷却剤水は好適には、蒸気駆動発電機１９へまたは近隣の冷却装置１３０へと出力回復のために送られ、これにより、１８．７ＢＴＵ／ＬＢ空気が送られる。
【００５８】
その後、第１の段ターボエキスパンダ９４から出てきた空気は好適には、（ボックス８によって示すように）第２の段ターボエキスパンダ９６内に導入され、ここで、やはり放出および膨張される。例えば、この点において、その圧力が１４．６７ｐｓｉａまで低下するまで、前記空気を５５ｐｓｉａにおいて放出することができる。華氏マイナス１０２度であった温度を図１２Ｂに示すように華氏マイナス１９８度まで低下させることができる。しかし、状態８と状態９との間の損失（例えば、６６．４３−６２．１４＝４．３ＢＴＵ／ＬＢ）に起因して、図１２Ｂに示すように、実際の出力温度は、華氏マイナス１８０度となる可能性がより高い。第２の段ターボエキスパンダ９６からの加熱された冷却剤水は好適には、蒸気駆動発電機１９へまたは近隣の冷却装置１３０へと出力回復のために送られ、これにより４．３ＢＴＵ／ＬＢ空気が送られる。
【００５９】
上記にも関わらず、図１２Ｂの底部では、最終ステーションにおいて吸引機能を持たない下流ハードウェア内を通過できるだけの十分なエネルギーを流れに持たせるために、出口圧力が１４．６７ｐｓｉａではなく２０ｐｓｉａとなる可能性がより高いことを考慮している。この場合、膨張低減に起因して、最終温度がより高くなり得る（例えば、華氏マイナス１８０度ではなく華氏マイナス１５９度など）。
【００６０】
コンプレッサ８２が作動し、外気圧縮を行い、上述したように空気がシステム内を通じて送られ、ターボエキスパンダ９４および９６が回転および作動し始め、圧縮空気を放出すると、さらなる仕事が行われ、その結果、最終的にはシステムは定常状態条件の動作に到達する点に留意されたい。デバイス８０の基本的動作は、コンプレッサ８２からの圧縮空気が第１の段ターボコンプレッサ８６内に導入されることから開始し、その後、この空気は第２の段ターボコンプレッサ９０内へと導入され、前記圧縮空気が放出される頃までには、ターボエキスパンダ９４およびターボコンプレッサ８６は同一シャフト上に設けられておりまたターボエキスパンダ９６およびターボコンプレッサ９０は同一シャフト上に設けられているため、ターボエキスパンダ９４および９６が回転し始めると、ターボコンプレッサ８６および９０も回転し始める。これが発生すると、４つ全てが回転し始める。共通シャフト９８および９９（「フリースピンドル」）は、ターボコンプレッサ８６とターボコンプレッサ９０との間およびターボエキスパンダ９４とターボエキスパンダ９６との間をそれぞれ延びており、これらの共通シャフト９８および９９（「フリースピンドル」）により、定常状態条件の動作が達成されるまで、ターボエキスパンダ９４および９６によって生成されたトルク（機械仕事）によりターボコンプレッサ８６および９０を駆動することが可能になる。
【００６１】
ＣＴＴデバイス３（またはＴＴデバイス５１または２段ＣＴＴデバイス８０）によって生成された超冷却空気は好適には、外気と混合され、これにより、中程度の冷気の質量流が生成される。本明細書中以下に説明するＣＴＴデバイス３については、ＣＴＴデバイス３はＴＴデバイス５１およびＣＴＴデバイス８０を含むことが理解される。
【００６２】
この混合は好適には、図８に示すような混合区画（例えば、排出装置１５）において達成される。この点について、ＣＴＴデバイス３からの超冷却空気は好適には、圧力下において、少なくとも１つの開口部１６を通じて排出装置１５内に導入される。ここで、超冷却空気の速度により、外部雰囲気環境からのさらなる外気が、１つ以上の開口部１８を通じて排出装置１５内へと引き込まれる。その後、これら２つの気流は好適には共に混合され、これにより単一の冷気の気流１０が必要な温度において生成され、この気流１０を燃料駆動タービン発電機２３内の入口空気として用いることができる。仮想的には任意の温度低下が企図されるが、冷気の温度は華氏マイナス２２度以下までにも低くすることが可能である。
【００６３】
これら２つの異なる気流の初期温度およびこれらの気流間の比により、冷気の出力温度が決定される点に留意されたい。例えば、より多量のまたはより高い速度の超冷却空気が利用可能である場合（例えば、より大型のまたはより高出力のＣＴＴデバイス３が用いられる場合）、超冷却空気流れが優勢になるため、排出装置１５によって引き出される外気はより少量となる。この場合、その結果得られた空気混合物はより低温となる可能性が高い。一方、より小型のまたは中程度の出力のＣＴＴデバイス３が用いられた場合あるいはより少量または低速度の超冷却空気が利用可能である場合、排出装置１５によって引き出される外気は典型的にはより多量となり、その結果得られた混合物もそれほど低温にならない。超冷却空気および外気が排出装置１５内へと導入される際の通路となる開口部１６および１８の総体的サイズも因子となり得るため、これらの開口部のサイズは好適には、適切な量および比の空気ならびによって出力温度が制御できるように、決定するとよい。
【００６４】
好適には、ＣＴＴデバイス３によって生成される超冷却空気と、排出装置１５内に導入される外気との間の適切な比は、燃料駆動タービン発電機２３のための入口空気として用いることが可能な所望の温度の出力空気が得られるように、適切に制御される。冷却空気の温度は華氏マイナス１７５度以下にもなり得、また外気温度は華氏１００度以上にもなり得るため、温度を一貫させるために、適切な比を決定する際にこれらの差を考慮する必要があることが理解される。
【００６５】
図１３は、３つの事例（すなわち、ターボエキスパンダが３，０２０ｋＷ、２，２００ｋＷおよび１，６７１ｋＷで設定された場合）を示す。ここで、１）３，０２０ｋＷのターボエキスパンダは、華氏マイナス１８０度の冷却空気を５０．６＃／秒の速度で生成し、２）２，２００ｋＷのターボエキスパンダは、華氏マイナス１８０度の冷却空気を３７．２＃／秒の速度で生成し、３）１，６７１ｋＷのターボエキスパンダは、華氏マイナス１８０度の冷却空気を２８＃／秒の速度で生成する。これらの超冷却空気の流れを暖かい外気と混合して、以下の状況下において、華氏マイナス２２度の一貫した出力温度において、比較的低温の入口空気を生成することができる。１）外気が華氏１１３度である場合、５９．１＃／秒の空気流量の前記外気を流量が５０．６＃／秒である超冷却空気と混合することができ、これにより、入口空気を華氏マイナス２２度において１０９．７＃／秒の空気速度で生成することができる。２）外気が華氏５９度である場合、７２．５＃／秒の空気流量の前記外気を流量が３７．２＃／秒である超冷却空気と混合することができ、これにより、入口空気を華氏マイナス２２度において１０９．７＃／秒の空気速度で生成することができる。３）外気が華氏３２度である場合、８１．７＃／秒の空気流量の前記外気を流量が２８．０＃／秒である超冷却空気と混合することができ、これにより、入口空気を華氏マイナス２２度において１０９．７＃／秒の空気速度で生成することができる。発電機セット２３の電力出力が、図１４に示す入力空気温度の関数として大幅に改善した点に留意されたい。
【００６６】
システム効率を上げるためには入口空気温度をできるだけ低くすることが望ましいが、従来のシステムの問題として、上述したように、外気中に少しでも水分が含まれており、入口空気温度が氷点下まで降下した場合に、氷粒子が形成され得、これらの氷粒子に起因してタービンブレードの損傷が発生し得る点があった。この理由のため、外気が比較的高湿度である場合、燃料駆動発電機２３内に導入される入口空気の最適な温度を決定する際に、水蒸気から氷粒子への相変化についてのエネルギー要求を考慮することが必要であることが多かった。従来では、入口空気温度を約華氏４２度よりも低くした場合、コンプレッサタービンのナセルを通過する気流による制限に起因して、入口空気温度は氷点下よりもさらに降下し、そのため、従来のシステムの場合、入口空気温度を華氏４２度よりも低くすることは避けていた。そのため、システムの可能な効率設定範囲が制限されていた。
【００６７】
この点について、従来のシステムの関連する欠陥として、コンプレッサタービンを用いて入口空気を圧縮した場合、その結果、断面積が低減または制限された空気供給経路を通じて入口空気が加速することが多く、その結果、典型的には引き込まれた空気の断熱的加速が発生し、ここで、この加速はエンタルピー低減と関連付けられ、その結果、さらなる温度降下が発生していた。すなわち、入口空気温度は凍結温度よりも高い温度から開始したはずであるが、入口空気がナセルを通じてコンプレッサタービン内に入る頃までには、入口空気温度は降下し、そのため、入口空気がコンプレッサタービン２５内に入る頃の最終的な温度に起因して、氷粒子が形成され得る。より低温の空気温度を用いることによる利点はあるものの、上述したように、その不利点として、入口空気温度が降下し過ぎた場合、氷粒子が形成され得、その場合、システム出力が低下するだけでなく、タービンブレードの損傷も発生し得る。すなわち、空気および氷粒子が前記空気供給システムを通じて加速され、氷粒子が高速タービンブレードに衝突し得る。
【００６８】
そのため、従来、外気中に少しでも水分が有った場合において、入口空気温度を約華氏４２度よりも低くした場合、タービンブレードの損傷が発生し得るため、入口空気温度は約華氏４２度よりも低くすることはできなかった。しかし、本発明の場合、外気中に少しでも水分が有るか無いかに関わらず、下記に説明するように、タービンブレードの損傷の危険性無く、入口空気温度を氷点下よりもずっと低い温度まで低下させることができる。実際、華氏４２度よりも低い温度（この温度において、燃料駆動発電機２３の効率を比例的に向上させることができる）が実行可能である。水分除去が可能である限り、実質的に任意の温度（例えば、華氏マイナス２２度以上）までの低減が可能であり、温度が低下するほど、システムはより高い効率で動作する。
【００６９】
そのため、本発明の別の利点は、遠心分離機１７（図９および図９Ａを参照）を使用している点である。遠心分離機１７により、水分および他の粒子を入口空気から除去した後に、前記入口空気をコンプレッサタービン２５内に導入することが可能になる。このように、氷粒子の形成およびその後のタービンブレード損傷を回避することができる。これは、例えば、遠心分離機１７のシリンダ４０を以下のように構成することにより、行うことができる。すなわち、シリンダ４０は好適には、比較的背の高い内部断面を有し、実質的に水平方向に方向付けられた通路４２またはダクトが、シリンダ４０の垂直軸に対して約９０度で延びている。図９に示すように、ＣＴＴデバイス３からの超冷却空気をシリンダ４０内に導入するために、入口４３を好適には上部に設けるとよく、１つ以上のさらなる入口４５が、比較的暖かい外気を導入するために設けられる。そのため、超冷却空気がシリンダ４０内に入ると、この超冷却空気を外気と混合して、比較的低温の入口空気を生成することができ、この入口空気を燃料駆動発電機セット２３のための入口空気として用いることができる。しかし、外気中の水分が超冷却空気に晒されると、その内部に含まれる水蒸気が瞬間冷凍して氷粒子が形成され、その後、これらの氷粒子は、高速の垂直気流内においてシリンダ４０内を降下し得、その場合、典型的には、氷粒子が大きい（例えば、直径が１０〜２０ミクロン）ほど、当該氷粒子は重量により自身の慣性に起因してシリンダ４０の底部に落下し、一方、その結果得られた（直径１０〜２０ミクロン未満の氷粒子が付随している可能性がある）低温かつ乾燥した空気４１は、重量が軽いため、角部を回って、ダクトまたは通路４２内へと方向付けられ、その後好適にはＣＴＴデバイス３から離隔される。高速気流中の氷粒子は、水平通路または分岐ダクト４２内へと続く角部に起因するその側方方向の局所的空力抵抗力と比較して慣性の方が高いため、その下方方向への垂直軌跡を継続する。好適には、ダクト延長部４２は、曲がり角がシリンダ４０の軸に対して比較的小さな（例えば、９０度）の通路であり、そのため、凍結した氷粒子がシリンダ４０の底部４４に沈降することができ、低温かつ乾燥した空気が最小量の氷と共に角部４１を回り、ダクト延長部４２を通じて燃料駆動発電機セット２３へと方向付けられる。
【００７０】
サイズが約１０〜２０ミクロンよりも大きな氷粒子は典型的には、遠心分離機１７内の９０度の曲がり角を曲がることができず、比較的高速で底部４４まで降下し続ける。一方、サイズが約１０ミクロンよりも小さな氷粒子は、冷気と共に吹き飛ばされて前記角部を間借り、延長部４２内に流れ込むことが分かっている。上記のより小さな氷粒子のうち一部は角部を曲がるには質量が足りない場合があるが、これらの氷粒子は比較的小さい傾向にあるため、タービンブレード損傷の原因とはならない。
【００７１】
例えば、外気が湿度１００パーセントと共に開始した場合、前記外気は典型的には、空気１ポンド当たり約０．０３０ポンドの水を含み得る。前記外気がシリンダ４０を通じて処理された後、その結果得られた低温かつ乾燥した空気中に含まれる水の総量は、空気１ポンド当たりわずか０．００１ポンドの水であり得る。これは、大幅な低減である。
【００７２】
シリンダ４０の底部４４において氷粒子が蓄積した後、これらの氷粒子を収集および解凍して、冷却水を生成することができる。この冷却水は、関連付けられた熱エネルギー保存システム２１内において、保存および利用することができる。ここで、得られた冷却水を用いて、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却を提供することができる。
【００７３】
上記プロセスにより、有利なことに、燃料駆動タービン発電機２３内への入口空気を粒子フリーで実質的に冷却および乾燥することができる。前記入口空気を冷却することにより、コンプレッサタービン２５内に導入される空気はより高密度かつより大きな気団を持つため、コンプレッサタービン２５が入口空気内に燃焼室２７圧縮する際に必要な仕事量が低減する。従って、入口空気から水分および粒子を除去すること（そしてその結果氷粒子の形成およびタービンブレード２９および３１の損傷を回避すること）により、入口空気温度を氷点下よりもずっと低くした場合にも、コンプレッサタービン２５を完全な効率で動作させることができ、これにより、システム全体の効率を向上させる。
【００７４】
遠心分離機１７を用いるか否かの決定は典型的には、入口空気の所望の温度に応じて行われる。入口空気温度を華氏４２度以下まで低下させた場合は、必ず遠心分離機１７を用いるべきである。なぜならば、上述したように、入口空気温度が氷点下から開始しない場合でも、入口空気はコンプレッサタービンのナセルを通過する際に加速されるため、入口空気温度が降下し得、その場合、氷粒子が形成され得、タービンブレード損傷の原因となり得るからである。一方、入口空気温度が華氏４２度よりも高い場合、空気がナセルを通過する際に加速するのにつれて発生するエンタルピーに関わらず、水蒸気が凍結する可能性が低い限り、遠心分離機１７を設ける必要は無いことがわかる。北極条件などにおいて外気が既に乾燥している場合、タービンブレード損傷の原因なる氷粒子が形成される可能性は同様に低くなる。
【００７５】
排出装置１５および遠心分離機１７の機能を単一のデバイス（例えば、分離区画）に統合することができる点に留意されたい。その場合、冷却空気および外気をシリンダ部内に導入しシリンダ部内において混合し、その後、氷粒子は底部へと落下することができる。その後、その結果得られた冷気をサイドダクトまたは通路を通じて送ることができる。そのため、本議論全体において遠心分離機１７について言及する場合、遠心分離機１７は（すなわち、単一のユニット／デバイスにおいて）排出装置１５の混合機能も行い得ることが理解される。
【００７６】
上記に基づいて、ＣＴＴデバイス３（またはＴＴデバイス５１またはＣＴＴデバイス８０）は、少なくとも以下の重要な機能を行うことができることが理解される。すなわち、１）高質量流の超冷却空気を生成すること。この空気を暖かい外気と組み合わせて、比較的低温の空気の混合物を生成することができる。この混合物は、燃料駆動タービン発電機２３内の入口空気として用いることができる。２）１つ以上のコンプレッサおよび１つ以上の熱交換器を介して、加熱された冷却剤水を生成すること。この加熱された冷却剤水は、関連付けられた蒸気タービン発電機１９内において効率向上のためにおよび／または吸収冷却装置システム１３０内において用いることができる。３）冷却水を提供すること。この冷却水は、熱エネルギー保存システム２１内に導入され得、その後、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却のために用いられ得る。４）氷粒子および他の粒子を吸入空気から除去することにより、タービンブレード損傷を起こすことなく、入口空気温度を氷点下よりもずっと低温まで降下させることができる。この場合、より低温の入口空気を用いることにより、システムの効率をより高くすることができる。
【００７７】
２．蒸気タービン発電機
蒸気タービン発電機１９は好適には、ボイラー２０を熱源２３と共に含む。ＣＴＴデバイス３から放出された加熱された冷却剤水は、ボイラー２０内に導入され得、加熱されて沸騰して蒸気を生成する。この冷却剤水はＣＴＴデバイス３内における熱交換によって事前加熱されているため、ボイラー２０中の水を沸騰させて蒸気を生成するために必要なエネルギーが低減する。例えば、典型的なＣＴＴデバイス３において、熱交換器７および１１を用いて、冷却剤水温度を雰囲気温度（例えば、華氏７０度）からより高い温度（例えば、華氏１８０度以上）へと上昇させることができ、そのため、水の温度を沸点まで上昇させるために必要なエネルギーが低減する。
【００７８】
ボイラー２０によって生成される蒸気により、好適には、蒸気タービン２２はブレード２４と共に回転し始め、その結果、蒸気タービン２２が設けられているシャフト２６も回転する。シャフト２６はコイル３０および磁石３２と共に発電機２８に接続されているため、蒸気タービン２２が回転し始めると、発電機２８も回転し始め、電気を生成する。熱交換器７および１１からの水は、加熱された後にボイラー２０内に入るため、蒸気タービン発電機１９が水を沸騰させるために必要なエネルギーが低減する。そのため、システムがより高効率となる。蒸気タービン発電機１９によって生成された電気は、燃料駆動発電機２３によって生成された電気と組み合わせてもよいし、あるいはその自身の施設に分配してもよく、これにより全体的な効率を高めることができる。
【００７９】
３．熱エネルギー保存システム
ＣＴＴデバイス３によって生成され、遠心分離機１７によって低温かつ乾燥した入口空気から分離された氷粒子を収集および解凍して、冷却水を生成することができる。この冷却水は、関連付けられた熱エネルギー保存システム２１内に保存され得る。その結果得られた冷却水を用いて、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却を提供することができる。熱エネルギー保存システム２１は好適には、図１０に示すように層別化タンク６０を含む。層別化タンク６０は好適には、背の高い円筒状のタンク６２であり、層状の水溶液を含み、比較的温かな水を上部において含み、比較的低温の水を底部において含み、その間には密度境界面がある。好適には、遠心分離機１７からの冷却水のための入口６４が設けられ、およびタンク６２からの冷却水を関連付けられたデバイス（例えば、ＨＶＡＣ）へと送るための出口６６が底部に設けられ、入口６８は、タンク６２の上部にある関連付けられたデバイスからの温水のためのものである。必要ならば、より多量の冷水に対応できるよう、別の出口を設けてもよい。
【００８０】
熱エネルギー保存システムに関連するこれらの機能については、出願者の特許出願シリアル番号第１１／５８５，０２３号（タイトル：「ＴＨＥＲＭＡＬ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＴＯＲＡＧＥ  ＳＹＳＴＥＭ  ＵＳＩＮＧ  ＣＯＭＰＲＥＳＳＥＤ  ＡＩＲ  ＥＮＥＲＧＹ  ＡＮＤ／ＯＲ  ＣＨＩＬＬＥＤ  ＷＡＴＥＲ  ＦＲＯＭ  ＤＥＳＡＬＩＮＡＴＩＯＮ  ＰＲＯＣＥＳＳＥＳ」）中に、より詳細に記載されている。本明細書中、同文献を参考のため援用する。
【００８１】
冷却水を先ず熱エネルギー保存システム２１内に保存する必要無く、冷却水を直接的に用いて、ＨＶＡＣ、冷蔵、脱塩などのための冷却を提供することも可能である。このような場合、熱エネルギー保存システム２１を不要とすることができ、遠心分離機１７の底部４４に集まった氷粒子を解凍することができる。この場合、氷粒子が溶融するとともに生成される冷却水を、関連付けられたデバイスへと直接的に分配することができる。
【００８２】
また、別の実施形態において、ＣＴＴデバイス３によって生成された超冷却空気を熱エネルギーシステム２１へと方向付け、この空気を用いて、保存水を排出装置１５へと送る前または後の保存水の冷却を促進することができる。同様に、温度が十分に低い場合、ＣＴＴデバイス３からの低温かつ乾燥した空気の一部を、熱エネルギー保存システム２１と関連付けられた空気／水熱交換器へと方向付けて、冷却を提供することができる。
【００８３】
４．吸収冷却装置
冷却水による空調システムにおいて、冷水は好適には、空気を冷却するコイル内を流れる。水を冷却する空調装置は、冷却装置と呼ばれる。冷却装置が配置される場所としては、冷却装置による機能を受け取る領域として、典型的には、同一の建物内の専用の機械用領域内、屋根の上、または屋外などがある。冷却装置において、冷媒は好適には、水を冷却するコイル内を流れ、その後、冷却水が配管ループを通じて空気処理部へとポンプ輸送される。これらの空気処理部は、冷却対象となる空間内に設けられる。これらの空気処理部において、冷却水は、前記空気処理コイル上を流れる空気から熱を吸収する。
【００８４】
吸収冷却装置の場合、図１７に示すように、蒸気圧縮サイクルの駆動の際に機械的コンプレッサを用いる代わりに、吸収冷却装置１３０は好適には、熱化学コンプレッサ１３２を用いる。この点について、熱化学プロセスは好適には、或る種の化学物質は他の化学物質に溶解し易いという事実を生かすとよい。この事実は、?化学者が「親和性」と呼んでいる特性である。このような場合、吸収サイクルは典型的には、冷媒および吸収剤の２つの流体を用いる。
【００８５】
従来の冷却装置内において行われる圧縮とは対照的に、吸収冷却装置内の冷媒は、冷媒が高い親和性を持つ吸収剤溶液中に溶解する。２つの共通冷媒／吸収剤の組み合わせとして、水および臭化リチウムと、アンモニアおよび水とがある。冷媒は位相を変化させ、好適にはシステム全体内を循環する。吸収剤溶液を発電機内へと移動させるための電気ポンプを設けると好適であり、ここで、熱を付加して、冷媒蒸気を溶液から蒸発器１３４内へと移動させる。機械的圧縮の代わりに熱エネルギーを用いた場合、吸収冷却装置は、機械的コンプレッサ冷却装置よりもより少ない電気で作動する。そのため、吸収冷却装置によって消費される熱エネルギーが必要な電気よりも低コストである場合、吸収冷却装置はコスト効率が良い。この場合、吸収冷却装置のために用いられる熱は、ＣＴＴデバイス熱交換器によって生成される熱から導出される。
【００８６】
吸収冷却装置は、直接または間接燃焼でよく、単一の降下または複数の効果を持ってよい。直接燃焼型の冷却装置は、天然ガスまたは別の燃料で動作する燃焼器を含み、これにより、吸収プロセスに必要な熱を生成する。間接燃焼型冷却装置は、ボイラーまたはコジェネレーションシステムによって屋外で生成された蒸気または湯水を用いる。この熱は、配管および熱交換器のシステムにより、冷却装置へと移動される。
【００８７】
単一の効果を有する吸収冷却装置は、熱エネルギーを用いて、単一の冷蔵サイクルを推進する。複数の効果を有する吸収冷却装置は、以下のような２つ以上の冷蔵サイクルを用いる。すなわち、第１の冷蔵サイクルが高温の熱エネルギーによって推進され、第２の段および後続段が、従来のサイクルのコンデンサによって拒絶された低温エネルギーによって推進される。複数の効果を有する冷却装置は、単一の効果を有する冷却装置よりも高効率であるが、ずっと高温の熱エネルギー源を必要とする。単一の効果を有する冷却装置は、華氏１６０〜２００度の温水によって駆動可能であるが、２つの効果を有する冷却装置は、ガス火炎または高圧蒸気からの直接的熱を必要とする。２つの効果を有する冷却装置の場合、ずっと高コストであり、通常、初期コストも少なくとも２倍は必要となる。最も一般的に用いられている吸収冷却装置は、主により低コストである理由により、間接燃焼型の単一効果のものである。
【００８８】
５．燃料駆動タービン発電機セット
吸入空気温度が低くなるほど、燃料駆動タービン発電機は、同一の燃料消費に対して、より多くの電気を生成する。試験により、燃料駆動タービン工場の電力出力および効率は、入口空気温度に大きく依存していることが分かっている。例えば、雰囲気入口空気温度が高温である場合、ＩＳＯ標準条件（１５℃または５９°Ｆ）と比較して、出力損失は２０％を越え、それと同時に燃料消費も大幅に増加することが分かっている。
【００８９】
これらの理由のため、本発明のＣＴＴデバイス３（またはＴＴデバイス５１または２段デバイス８０）は、低温かつ乾燥した入口空気を効率的に生成して、この入口空気を燃料駆動タービン発電機２３内に導入することでシステム効率を上げることができるように、システム内に採用されている。しかし、従来の燃料駆動タービンシステムによって生成された冷気とは対照的に、本発明によって生成された低温の入口空気により、前記空気をより乾燥させた後にこの空気を燃料駆動タービン発電機２３内へと入れると好適である。すなわち、本発明において、遠心分離機１７によって得られる恩恵の１つとして、否定的な結果を引き起こすこと無く、低温かつ「乾燥した」入口空気が得られ、この入口空気を氷点下よりもずっと低い温度でコンプレッサタービン２５内に導入することができる点がある。すなわち、入口空気中に水分および粒子が無い場合、コンプレッサタービンブレード２９の損傷の原因となる有意な氷粒子は形成されない。
【００９０】
図５に示すように、燃料駆動タービン発電機２３は好適には、コンプレッサタービン２５を含む。コンプレッサタービン２５は、別個の電源によって駆動可能である。そのため、コンプレッサタービン２５が先ず回転すると、遠心分離機１７からの低温かつ乾燥した入口空気（または排出装置１５からの冷気）を、コンプレッサタービン２５が設けられたナセル３９を通じて加速させることが可能になる。この点について、入口空気温度が凍結温度を下回るかまたは凍結温度に近い場合、水分および粒子を入口空気から除去することが重要である一方、入口空気温度が華氏４２度を越える場合、遠心分離機１７は不要になり得る。本発明が企図しているのは、入口空気を氷点下温度よりもずっと低い温度（すなわち、華氏マイナス２２度）まで低下させ、実質的な速度（すなわち、３００フィート／秒を越える速度）でナセル３９内を通じて加速させるようにシステムを設計することができる点であり、この場合、システム全体の効率を大幅に高めることができることが分かる。
【００９１】
コンプレッサタービン２５は好適には、低温かつ乾燥した空気を圧縮し、この空気を燃焼室２７内に導入し、ここで、この空気は圧縮された燃料蒸気と混合され、燃焼され得る。低温かつ乾燥した空気を燃焼室２７内に圧縮した後に燃料蒸気を燃焼室２７内に圧縮することにより、前記空気および燃料蒸気を共に混合および燃焼して、エネルギーをより効率的に生成することができる。燃焼室２７内における前記空気と燃料混合物との間の比は好適には所定の比であり、燃料燃焼の際に最大エネルギー出力が確実に得られるように、一定に保持される。
【００９２】
この点について、空気および燃料の化学量論混合物が用いられる場合、最適な燃焼温度は約華氏３，５００度である。多くの燃料において、空気と燃料との比（空気／燃料）＝１５である。これらの要素に関連して、以下の２つの問題がある。すなわち、（１）燃焼タービンエキスパンダ材料の温度制限は、華氏２，５００度に制限されていることが多いこと。（２）窒素および酸素の組み合わせ（ＮＯｘ）が発生し、汚染物質となること。そのため、より高温の材料を開発し、低温のブレードを導入するために、多くの努力が為されてきた。また、バイパス圧縮空気の利用により燃焼生成物の温度を低下させた後に、前記燃焼生成物をタービンブレード上に衝突させるアプローチも成されている（図５を参照）。他にも、蒸気の注入により、より低い温度およびより少ない汚染物質ガスという目的を出力向上と共に達成することができることも分かっている。本発明の場合、華氏プラス１１３度（極端な場合）ではなく低温（例えば、華氏マイナス２２度）において大きな空気質量流と共に開始した場合、最終燃焼温度をより低温にすることができる。
【００９３】
燃料が多すぎかつおよび空気が不十分であるかまたは空気が多すぎそして混合物内の燃料が不十分である場合、システムが機能する際の効率が下がり得る。同様に、好適な実施形態において冷気は乾燥しているため、さらなる加温装置または加熱装置は全く不要である。従って、これらの構成部品に関連するさらなるコストまたは圧力損失は全く無く、氷形成が予期される場合の入口空気のさらなる加熱も不要である。上記の理由により、本システムを用いれば、コンプレッサタービン２５内に送られる入口空気の温度を氷点下よりもずっと低い温度（すなわち、所望の低温）まで低下させることができ、入口空気温度が低温であるほど、燃料駆動タービン発電機２３はより高効率となる。
【００９４】
燃料燃焼によって得られた膨張エネルギーは好適には、燃焼室２７から放出され、このエネルギーを用いて、膨張タービン３３をブレード３１と共に駆動する。膨張タービン３３、コンプレッサタービン２５および発電機３６は好適には同一シャフト３４上に設けられるため、膨張タービン３３の回転と共に、コンプレッサタービン２５および発電機３６はどちらとも駆動され、動力補給されて、電気を生成する。そのため、燃料駆動タービン発電機２３の共通シャフト３４により、コンプレッサタービン２５および膨張タービン３３は最終的には定常状態条件の動作に到達し、ここで、燃焼室２７における燃料燃焼により、コンプレッサタービン２５、膨張タービン３３および発電機３６の回転および作動も支援される。
【００９５】
コンプレッサタービン２５によって生成された熱は、燃料駆動タービン発電機２３と関連付けられた熱交換器３７を通じて流れている冷却剤を介して引き出して移動させることができ、この熱は、加熱された冷却剤または冷却装置１３０を介して蒸気タービン発電機１９へと移動させることができる。すなわち、熱交換器３７は、熱を冷却剤水へと移動させることが可能な熱交換器７および１１と同様のものでよい。このようにして、圧縮空気が加熱されると、熱交換器３７はさらなる熱を生成することができ、このさらなる熱を蒸気タービン発電機１９のボイラー２０および／または吸収冷却装置１３０内に導入することができる。他の熱交換器７および１１と同様に、熱交換器３７は好適には、任意の従来の種類のもの（例えば、冷却剤水を用いてコンプレッサタービン２５（およびコンプレッサタービン２５によって生成される圧縮空気）から熱を引き出す逆流型のもの）でよい。圧縮空気バイパスが高温の燃焼生成物（華氏３，５００度）と混合されて、華氏２，５００度を越えるガスと、水冷却されたタービンブレードとの衝突を低減する様子が図示されている。
【００９６】
６．サンプルシステム
本発明を用いて燃料駆動タービン発電所の効率を上げる様態を以下に示す。電力を施設に供給している典型的な発電所についての基準は、以下の性能パラメータによって記述される。
施設高度 海抜４００フィート
最大負荷 ４０ＭＷ
ガスタービン ２ｘ１３．５ＭＷ
蒸気タービン １ｘ３ＭＷ
合計 ３０ＭＷ
施設のためのベース負荷 ２８ＭＷ
３つのタービン ３×１時間あたり４００，０００ポンドの空気
【００９７】
この試行の目的は、高冷却空気を約華氏マイナス１７４度で生成することにより、燃料駆動タービン発電機セット２３の効率および性能を向上させる手段として、ＣＴＴデバイス３をみなすことである。その後、この高冷却空気を例えば華氏８６度の外気と混合して、約華氏５９度の温度の入口空気を生成することができ、この入口空気を燃料駆動タービン発電機２３内に導入することができる。
【００９８】
図１１は、太陽光発電タービン（キャタピラー社）であるＴａｕｒｕｓ６０ガスコンプレッサタービンの性能感度を入口空気温度と比較して示す。入口空気温度が低下せずに例えば華氏８６度のままである場合、電力出力は約５，１００ｋＷであることが分かる。一方、入口空気温度が華氏２７度だけ例えば華氏５９度まで低下した場合、電力出力は約５，７４０ｋＷまで増加し、すなわち６４０ｋＷの差があり、この差は、燃料消費の増加無しに発生する。
【００９９】
この場合、入口空気の相対湿度は６０％であり、気流は４７．６ポンド／秒である。これらの相対湿度よび気流はどちらとも受容可能である。入口空気温度は凍結温度に近くないため、入口空気がナセル３９を通じて加速される際に氷粒子が形成される危険性は無い。従って、この例において、電力出力において約６４０ｋＷの差または改善が、より低温の華氏２７度の入口空気を用いて（すなわち、入口空気温度を華氏８６度から華氏５９度まで変化させた場合に）得られる。図１１は、電力出力が１１３°Ｆから５９°Ｆへと線形増加しているのを示す。
【０１００】
同様に、入口空気温度をさらに華氏２７度だけ（すなわち約華氏３２度まで）低下させることにより、約４００ｋＷのさらなる電力出力がシステムによって生成される（図１１を参照）。この場合、入口空気温度を華氏５４度だけ低下させることによって生成される電力の増加の合計は、約１，０４０ｋＷとなる。これは、入口空気温度を華氏８６度の雰囲気温度から華氏３２度まで低減することにより、達成することができる。また、これは、燃料をこれ以上消費する必要無く達成することができる。しかし、この場合、入口空気温度は凍結温度に近く、ナセル３９内を通過する入口空気も加速するため、入口空気内の水蒸気が凍結して氷粒子が形成する可能性があり、また、氷粒子のうち一部に起因して、コンプレッサ２９および膨張タービンブレード３１の損傷が発生したり、システムの効率低下の原因となり得るというさらなる問題もある。そのため、この例において、遠心分離機１７を用いて水分およびよって氷粒子を入口空気から除去した後、この入口空気がコンプレッサタービン２５内に入らせることが極めて望ましく、また賢明でもある。
【０１０１】
上記したように、この例では、入口空気の相対湿度が６０％であることを想定している。入口空気中の水蒸気が残留して凍結し、タービンブレード２９の損傷の原因となり得る氷粒子へと変質した場合に、本発明の恩恵を得ることができる。しかし、この場合、遠心分離機１７によって実施されるプロセスにより、水蒸気の凍結と、入口空気からの氷粒子および固体粒子の除去とを支援することができ、その後、この空気をコンプレッサタービン２５内に導入することができる。本質的に、水蒸気の除去は、以下の３つの位置において発生する。すなわち、（１）コンプレッサ５による外気圧縮後の凝結（ここで、その結果得られた、コンプレッサ５によって生成された加熱された空気は、熱交換器７によって冷却される）。（２）ターボコンプレッサ９による外気圧縮後の凝結（ここで、その結果得られた、ターボコンプレッサ９によって生成された加熱された空気は、熱交換器１１によって冷却される。（３）排出装置１５内において外気が冷却されて遠心分離機１７を通じて送られた後の氷結晶化。
【０１０２】
この点について、入口温度が約華氏４２度を下回る場合、入口空気内の氷粒子を除去した後に、入口空気をコンプレッサタービン２５へと送達および加速することが重要であることが分かる。なぜならば、入口空気がナセル３９を通じて加速すると、前記空気の温度はさらに華氏８〜１０度だけ低下し得るからである。氷粒子が形成され、ナセル３９を通じて高速で移動した場合、これらの氷粒子がタービンブレード２９および３１に衝突し、タービンブレード２９および３１の損傷の原因となる可能性が高い。遠心分離機１７は、下流シリンダ４０により、入口空気内の氷粒子および他の粒子を除去する目的を容易に達成する。下流シリンダ４０は、氷粒子のための直線状の下方経路ライン４１と、９０度の曲がり角とを、冷却空気のためのダクト４２と共に備える。ダクト４２は、燃料駆動タービン発電機２３の入口へと方向付けられ得る。
【０１０３】
その後、氷粒子を遠心分離機１７の垂直ダクト（死水体積）の底部内において解凍し、熱エネルギー保存システム２１の近隣の水層別化タンク６２の底部に保存することができ、これにより、さらなるエネルギー回復が得られる。氷粒子内に捕獲されている固体粒子も、外気内の水蒸気を凍結させることにより、吸入空気から除去することが可能である。ここで、これらの粒子は一般的には水蒸気内に捕獲されているため、凍結させることが可能である。このように、氷粒子を除去することにより、全てではないにしろほとんどの固体粒子を、低温かつ乾燥した空気から除去することができる。このようにして、海岸近辺の空気中に存在することの多い塩および他の固体を除去するために入口空気をフィルタリングする必要が低減するかまたはほとんど無くなる。その結果、有利なことに、タービンブレード２９および３１の腐食ならびにタービンブレード２９および３１上での望ましくない塩の堆積の原因の１つである塩が、冷気から除去される。
【０１０４】
このプロセスを通じて、氷および固体粒子を入口空気から除去した後、吸入空気の温度を華氏３２度よりもずっと低い温度まで低下させることができ、その結果、燃料消費の増加ならびにタービンブレード２９および３１の損傷の危険性を招くこと無く、システム効率をさらに上げることが可能になる。例えば、入口空気温度をさらに華氏２７度だけ例えば華氏５度まで低下させた場合、燃料消費の増加を招くこと無く、生成される電力の総量をさらに３００ｋＷだけ増加させることができる（すなわち、合計１，３４０ｋＷ）（図１１を参照）。同様に、入口空気温度を例えば華氏マイナス２２度までさらに低下させた場合、やはり燃料消費の増加を招くこと無く、電力出力の合計をさらに２６０ｋＷだけ増加させることが可能になる（すなわち、合計１，６００ｋＷ）。
【０１０５】
本発明のエネルギー節約のための別の構成部品は、コンプレッサ（および他の構成部品）によって生成された熱の使用に関する。すなわち、この熱を熱交換器および冷却剤水を介して蒸気タービン発電機１９へと移動させ、加熱された冷却剤水を用いて、事前加熱された水をボイラー２０へと供給して、システム効率を向上させることができる。あるいは、加熱された冷却剤水を用いて、事前加熱された水を吸収冷却装置１３０に供給することもできる。この場合、冷却剤水へと移動される熱エネルギーは好適には、効率がおよそ８５％である各コンプレッサから得られ、また、各１ｋＷの入力に対して約１ｋＷの出力を変換することでも得られる。この点について、図１４では、図１２Ｂ中のデータおよび図１３中の情報から得られた性能曲線を用いて、この例における全ての拒絶された熱の回復および燃料駆動発電機２３の性能向上により、３，９１７ｋＷの電力入力に対し、出力回復は驚くべきことに１４，９１４ｋＷにもなり、電力出力と電力入力との間の比は、３．８１にもなる（１４，９１４ｋＷを３，９１７ｋＷにより除算）ことが分かる。これらの例において、用いられた燃料駆動発電機セットはＴｉｔａｎ１３０であり、外気温度は華氏１１３度であり、入口空気温度は華氏マイナス２２度である。
【０１０６】
層状化水タンク６０の底部に送られた氷結晶は、熱エネルギー保存（ＴＥＳ）システムのために用いられ、別のエネルギー節約に用いられる。しかし、図１５によれば、氷の解凍およびその結果得られた冷水のＴＥＳへの移動によるエネルギー回復は、省電力のうち大きなパーセンテージを占めていない。実際、空気中の水蒸気を凍結させる再のエネルギー損失は、エネルギー保存の局面においてさらなる利点がある点を除いて、ＴＥＳシステム中のエネルギー利得により均衡を得る。
【０１０７】
本明細書中用いられる技術的アプローチでは、以下の要素を組み合わせることによる相乗効果を考慮する。
コンプレッサ、ターボコンプレッサおよびターボエキスパンダ（ＣＴＴ）デバイス
・排出装置および遠心分離機
・熱エネルギー保存システム
・空気／水熱交換器および蒸気タービン発電機システム
・燃料駆動タービンおよび発電機セット
・冷却装置
【０１０８】
これらの要素を組み合わせることによる正味の効果は、燃料駆動タービン発電機への入口空気の温度の低下によって得られる電力出力の増加だけでなく、電力消費の正味の低減でもあり、ここで、空気圧縮プロセスからの熱拒絶は、（熱ポンプの場合のように）冷却剤水へと送られ、その結果得られた湯水を蒸気タービン発電機１９または冷却装置１３０への入力として用い、これにより、その効率を向上させる。加えて、燃料消費が同一であっても、燃料駆動タービン発電機によって生成される電力が増加する。なぜならば、入口空気温度が低下し、水分の無い入口空気がコンプレッサタービン２５内へと導入されるからである。ＣＴＴデバイスは、超冷却空気および湯水の双方を生成する。これらの超冷却空気および湯水をプロセス全体内の異なる点において用いて、効率を向上させる。
【０１０９】
本発明を他の種類の冷却システムと比較した場合、特にシステムにより、付随するタービンブレード損傷の危険性無く入口空気温度を氷点下よりもずっと低い温度まで低下させることが可能であるため、本発明の方がずっとすぐれていることが分かる。フォギング冷却器、高圧フォギング冷却器、湿り圧縮冷却器および気化冷却器により、例えば雰囲気温度が華氏８６度である場合、入口空気温度を華氏６０または７０度よりもずっと低い温度まで低下させることはできないため、その場合、効率はわずかしか向上できず、出力増加もわずかである。空気温度を氷点下まで低下させることが可能な他の種類の冷却システム（例えば、機械的冷却器および吸収冷却器）の場合、タービンブレード損傷の原因となる氷粒子の形成および粒子の存在というさらなる問題が発生するため、当該システムによって入口空気温度をかなりの幅で低下させることができたとしても、装置の永久的損傷の発生という不利点が生じる。あるいは、氷粒子の形成を回避するためにヒーターを用いた場合、システム効率がさらに低下する。これらの従来の冷却システムのうち多くの別の不利点として、環境公害の原因になり得る化学的冷媒（例えば、アンモニア、臭化リチウムおよびフレオン）を用いなければならない点がある。ＣＴＴデバイス３と同様に入口空気温度を低下させることが可能な、かなりのサイズでありかつかなりの電力供給を受ける空調システムを用いた場合、真空配管および複雑な配管ならびに有毒化学物質において妥協を余儀なくされる。
【０１１０】
７．保存タンクを用いた別の実施形態
別の実施形態１００において、図１６に示すように、コンプレッサ１０２を用いて、保存タンクまたは高圧容器１０４を加圧することができる。保存タンクまたは高圧容器１０４は、例えばエネルギーコストが比較的低いオフピーク時間帯（通常は夜間）における鍾乳洞またはパイプラインであり得る。その後、ピーク時間帯（例えば、日中）において、圧縮空気を保存タンク１０４から放出して超冷却空気を生成し、この超冷却空気を外気と混合し、燃料駆動発電機セット１２３内に導入することができる。
【０１１１】
この場合、電源１０６は好適には、コンプレッサ１０２を駆動するように設けられる。冷却剤水１０８をコンプレッサ１０２内を通過させて、圧縮空気の温度を低下させることもでき、ここで、加熱された冷却剤水を蒸気駆動発電機１１９または冷却装置１３０に分配することができる。蒸気駆動発電機１１９は、蒸気駆動発電機１９と実質的に同様であり、発電機１１９は、ボイラーと、発電機を駆動する蒸気発生器タービンとを有する。
【０１１２】
保存タンク１０２は好適には、出願者の過去の出願（例えば、米国特許第７，０６７，９３７号、本明細書中、同文献を参考のため援用する）中に記載されているものと同様の圧縮空気エネルギー保存システムと同様のものである。あるいは、保存タンク１０２は、鍾乳洞またはパイプラインであってもよい。制御バルブ１１０を設けると好適である。制御バルブ１１０は、圧縮空気の放出を適切な時期に制御し、蒸気発生器１１９および燃料駆動発電機１２３なども制御する。
【０１１３】
ターボエキスパンダ１１２を設けると好適である。ターボエキスパンダ１１２は、保存タンク１０４または他の圧力容器内に保存された圧縮空気エネルギーを放出し、膨張させることができる。好適には、保存タンク１０４から放出された圧縮空気を用いて、超冷却空気を生成する。この超冷却空気は、排出装置１５と同様のインダクタ１１５内に導入することができ、ここで、この超冷却空気を外気と混合して、比較的低温の入口空気を生成して、燃料駆動発電機１２３内に導入することができる。ターボエキスパンダ１１２はまた、発電機１１３に接続することもでき、発電機１１３を用いて電気を直接的に生成することができる。
【０１１４】
超冷却空気がインダクタ１１５内に導入されると、排出装置１５と同様に、この超冷却空気は好適には外気と混合される。その後、例えば前記空気が比較的乾燥している場合または入口空気温度が約華氏４２度を下回らない場合、比較的低温の入口空気を燃料駆動発電機１２３内に直接的に導入することができる。あるいは、例えば外気中に水分または湿度が含まれる場合または入口空気温度が華氏４２度を下回る場合、インダクタ１１５からの冷気を遠心分離機１１７内に導入することができる。遠心分離機１１７内において、外気内の水蒸気を瞬間冷凍することができ、遠心分離機１７と同様である遠心分離機１１７の構成に起因して、より大型の氷粒子（例えば、大きさが１０〜２０ミクロン以上）が形成され、これらの氷粒子は、（すなわち、より大きな慣性により）その底部／端部へと落下し得、より軽量の冷気が角部を回り、遠心分離機１１７の軸に対して垂直に延びる側部の通路またはダクトを通過し、これにより、前記空気からの氷粒子の除去を支援する。いずれの場合においても、その後、低温かつ乾燥した空気は燃料駆動発電機１２３内に導入され、先述したようにコンプレッサタービンのための入口空気として用いられ、その結果、その効率の向上が支援される。多様な熱交換器が企図され、多様な熱交換器を用いて、加熱された冷却剤水を蒸気発生器１１９へと移動させることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２−１】
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【図１２−２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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