JP2002519558A - 気体媒質の圧縮装置及び該装置を用いた圧縮システム - Google Patents

気体媒質の圧縮装置及び該装置を用いた圧縮システム

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Abstract

(57)【要約】 この発明は気体媒質の圧縮装置に関する。圧縮装置は、媒質導入口と、圧縮された媒質の排出口と、媒質の液体蒸発剤を微粒化する手段を備えており、微粒化する手段が少なくとも１つのフラッシュ微粒化手段を有し、そのフラッシュ微粒化手段が微粒化する液体蒸発剤中に気体を発生させることにより蒸発剤の微粒化するように配置され設けられたことを特徴とする。また、この圧縮装置を有するエネルギ発生システム及び気体分離システムにも関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、気体媒質の圧縮装置及びその装置を応用した圧縮システム、例えば
エネルギ発生システム、ガス分離装置、又は天然ガス、空気及びアンモニア等の
化学物質の圧縮機若しくは圧縮システムに関する。
【０００２】 （背景技術） 気体媒質の圧縮には圧縮仕事が必要となるが、その圧縮仕事は圧縮する媒質の
絶対温度に直接比例する。このことは、圧縮前又は圧縮中に及び圧縮後の再サイ
クルにおいても媒質を冷却することによって、圧縮仕事を減らすことができるこ
とを意味する。また、この事は、種々の段階において媒質を連続的に圧縮する場
合にも当てはまる。主な対象は、みかけ上理想的な又は擬似等温圧縮過程である
。
【０００３】 媒質は、液体の蒸発剤（通常は水）を用いることによって冷却することができ
る。蒸発剤は、蒸発する液滴の形態で導入される。蒸発に必要な熱は媒質から与
えられ、その結果媒質が冷却される。
【０００４】 原理的には、噴霧された蒸発剤の液滴が完全に蒸発する必要はない。しかし、
液滴の蒸発が不完全であると、蒸発剤の液滴が圧縮ユニットの内部に接触する場
合があり、これは圧縮ユニットの一部の腐蝕及び侵食につながり得る。
【０００５】 したがって、目的は、できるだけ微小な液滴（１〜１０μｍ）を導入すること
にある。液滴が小さいほど、液滴が完全に蒸発しやすくなるだけでなく、圧縮ユ
ニットの構造体に接触する可能性も低くなる。しかしながら、媒質の流速が高い
場合及び／又は圧縮ユニットにおける気体の滞留時間が短い場合には、完全な蒸
発には時間が不十分である場合が多い。
【０００６】 ＤＥ−Ａ−４１，１４，６７８号は、ガスタービン用燃料の微粒化の方法に関
るものである。燃料の微粒化は、コンプレッサの全長に渡って、圧縮圧力を超え
る５−２０ｂａｒの噴霧圧力において起こす必要がある。微粒化する燃料、特に
水の最大量は１ｋｇの空気当たり０〜０．２ｋｇであり、これを超えない。さら
に、圧縮機の中で燃料がいかに微粒化するかは、機構的に解明されていない。
【０００７】 ＵＳ−Ａ−４，４７８，５５３号は、ガスタービンの圧縮機における等温圧縮
に関する。微粒化の手段は、ロータ構造にうまく組み込まれている。分散させる
水の予備加熱は行わず、微粒化する蒸発剤の液滴の大きさは２〜１０μｍの間に
維持される。
【０００８】 ＵＳ−Ａ−５，３８８，３９７号は、ターボ圧縮機の運転方法に関する。気体
は２段階に圧縮されインタークーラの間で冷却される。インタークーラの暖かな
水は、次の蒸発器において冷却され、得られた蒸気はフラッシュ法にしたがって
自発的な蒸発によって非常に密な状態で周囲に移される。蒸発した量は、これに
相当する量の新鮮な水によって補充される。
【０００９】 ＥＰ−Ａ ０，８２１，１３７号は、エネルギ発生のためのシステムに関する
。圧縮する気体は、液滴径が１−５μｍの微粒化水滴によって冷却される。しか
し、ある条件では、微粒化した水滴に必要とされる流速が小さすぎる。
【００１０】 （発明の開示） （発明が解決しようとする技術的課題） 本発明は、蒸発剤の微小な液滴（中央値が５μｍ以下、一般には３μｍ以下、
好ましくは２μｍ以下、例えば１．２μｍ）を用いることにより気体媒質を比較
的低温で圧縮することができる圧縮装置であって、こうした微粒化液滴の流速を
、圧縮する媒質の流速に応じて、十分なものとすることができる圧縮装置を提供
することを目的とする。
【００１１】 また同時に、本発明は、気体媒質の適切な冷却方法を提供することにより、従
来の必要であった気体冷却器（インタークーラ）の冷却容量を減少し、又はそれ
らを置き換えることを目的とする。
【００１２】 （その解決方法） この目的は、本発明の気体媒質の圧縮装置によって達成することができ、本発
明の圧縮装置は、媒質の導入口を供えた圧縮ユニットと、圧縮された媒質の排出
口と、媒質中に液体蒸発剤を微粒化する手段を備え、微粒化手段が少なくとも１
つのフラッシュアトマイザユニットを備えており、フラッシュアトマイザユニッ
トが、微粒化された蒸発剤中に気体を発生させることによって微粒化された蒸発
剤を破片にすることを特徴とする。
【００１３】 この圧縮ユニットの微粒化手段は、蒸発剤の導入口と、気体媒質ラインにつな
がった蒸発剤の排出口を備える。この気体媒質は、さらに圧縮を必要とするもの
であっても、圧縮中であっても、すでに圧縮されていても良い。後者の例では、
圧縮された媒質は、さらに次の圧縮ユニットに送られても良く、一部が再循環し
ても良い。微粒化手段は、通常非常に多くのアトマイザを備えており、アトマイ
ザを介して蒸発剤が気体媒質中に噴霧される。
【００１４】 原理的には、フラッシュアトマイザユニットとして既存のいかなる型のアトマ
イザを用いても良い。適当なのは、例えば、渦巻きアトマイザ、スロットアトマ
イザ、オリフィスアトマイザ、回転ボールアトマイザ、及び必要であれば、ペン
アトマイザなどである。重要であるのは、アトマイザが蒸発剤の液滴又はフィル
ムを、変化する環境下でフラッシュ微粒化が起きるような程度に、気体媒質に送
り出すことである。フラッシュ微粒化とは、液体蒸発剤が次のような状態で気体
媒質に到達することを言う。液体蒸発剤が、アトマイザにおける圧力降下の結果
、蒸発剤の液滴又はフィルム内に沸騰気泡又は気泡が生成する、即ち、蒸発剤中
に気体又は蒸気が形成される状態である。この、いわゆるフラッシング又は急激
変化は、突然の部分的な沸騰又は気体発生の結果、蒸発剤の液滴又はフィルムの
爆裂又は小片化につながる。こうした小片化は、蒸発剤の非常に微小な液滴を気
体媒質中に生じさせることになる。小片化の後、蒸発剤の大きさの中央値は５μ
ｍ以下であり、一般には３μｍ以下、好ましくは２μｍ以下、例えば１．２μｍ
である。
【００１５】 このことは、小片化の結果上記の中央値を持つ液滴を形成するアトマイザであ
れば、微粒化手段に採用することができることを意味する。重要であるのは、微
粒化手段、特にフラッシュアトマイザユニットが、微粒化される蒸発剤がその中
への気体発生によって小片化されるように、設置され配置されることである。
【００１６】 好ましくは、渦巻きアトマイザを備えたフラッシュアトマイザユニットを用い
る。既知の渦巻きアトマイザにおいては、蒸発剤は渦巻きチャンバ中で渦巻き運
動を行う。渦巻き運動を行う蒸発剤は、排気口から排出される。蒸発剤の層の厚
さは排出経路の径の何割かの大きさ（例えば１０％）に過ぎないことがわかった
。フラッシュ微粒化は、径の中央値が５μｍ以下の液滴となる（径は圧力降下、
温度、及び排出経路の径に依存する）。蒸発剤の液滴の大きさが減少するので、
蒸発剤が圧縮ユニットの内部に付着する危険が低減される。このことは、圧縮機
の全長を冷却することができることを意味する。
【００１７】 この小片化を行うためには、蒸発剤が気体媒質中で微粒化される条件（特に、
条件の変化）が小片化に好適であることが重要であるのは明らかである。フラッ
シュ微粒化を行うために重要な条件は、蒸発剤を気体媒質中で微粒化するに際し
ての、蒸発剤の温度、微粒化の圧力及び排出経路の径である。したがって、フラ
ッシュ微粒化ユニットは、好ましくは、蒸発剤の温度及び/又は微粒化圧力を調
節する手段を備えていることが好ましい。
【００１８】 上述したように、既知のアトマイザは、原理的に本発明の圧縮装置に用いるこ
とができる。これらのアトマイザは、蒸発剤を気体媒質中に、気体媒質の流れに
横切って送出しても、流れに平行した方向に送出しても良い。微粒化された蒸発
剤は、気体媒質に向かって、放射状の又は軸性の成分を有していても良い。放射
状の成分は、小片化した蒸発剤の液滴の癒着を防止するために重要である。この
放射状の成分は、例えば渦巻きアトマイザによって作り出すことができる。軸性
の成分は、蒸発剤のエネルギをできるだけ多く気体媒質に交換させ、圧力降下が
小さいか若しくは負になるようにするために重要である。例えばエネルギ装置の
ための既存の圧縮機又は圧縮システムを改良する場合、渦巻きアトマイザと共に
噴霧ラックが設けられる。この噴霧ラックは、好ましくは圧縮機の媒質導入口の
近傍に設ける。液滴の癒着や媒質の加熱の機会を殆どなくすためである。同様の
条件において、アトマイザを圧縮機のブレードに設けて、ステータ又は回転する
圧縮ブレードから微粒化を行うこともできる。渦巻きアトマイザ、スロットアト
マイザ、又はオリフィスアトマイザが特に好ましい。なぜなら、これらは構造が
非常に簡単であり、小型化が極めて容易だからである。したがって、既存の圧縮
装置に高額な費用のかかる改造を行うことなく、非常に多数のアトマイザを用い
ることができる。したがって、付加的ではあるが流速の大きな小片化した蒸発剤
の流れを作ることができる。このような改造は、圧縮ディスチャージ温度及び圧
縮仕事の両方を効果的に減少させることができる。
【００１９】 もしさらに、温度調節手段によって蒸発剤の温度をしきい温度に又はその近傍
に好ましく調節すれば、蒸発剤が擬似的に又は正確に０Ｎ/ｍ2の表面張力を有す
るようにすることができる。このことは、液体の微粒化のためにはごく僅かのエ
ネルギしか必要ないか、又は全くエネルギが必要ないことを意味する。これによ
り液滴のサイズは極めて小さくなり（液滴サイズの中央値が０．１μｍに達する
ものも可能である）、他の表面張力の低下手段の使用を省略することができる。
気体媒質中で微粒化する液体蒸発剤の量及び圧縮機の媒質導入口までの距離にし
たがって、圧縮する媒質／蒸発剤の温度が上昇する、例えば、最終的に圧縮ユニ
ットに残される媒質中の水の量が１０及び１８ｍｏｌ％である時に、１５℃から
２３℃及び３０℃に上昇する。したがって、微粒化する蒸発剤、特に水の温度が
、微粒化の前にはできるだけ低いことが有利である。最後に、液滴の大きさが極
めて小さいため、最良のそして最大の蒸発とそれによる冷却が起こる。その結果
、圧縮仕事は最小となり、ＮＯXの形成も同様に最小となる。
【００２０】 前述した小片化のための物理的な条件のほかに、蒸発剤に化学的又は物理的添
加物を加えることによって断片化を促進しても良い。したがって、蒸発剤にその
表面張力を減少し、よって断片化に必要なエネルギを減少させるような添加剤を
加えることが好ましい。表面張力を減少させるために用いることのできる薬品は
、洗剤のようなものである。好ましい表面張力の減少薬とは、蒸発剤と媒質の界
面だけに存在するだけでなく、蒸発剤（液滴又はフィルム）の中にみかけ上均質
に分散するようなものである。これにより、拡散する結果、微粒化の後又は小片
化の前における表面張力の減少の抑制が必要なくなる。このような条件において
は、脂肪酸、特に短い脂肪酸を用いることが好ましい。また、アルコール、例え
ばメタノールやエタノールを用いることも可能である。気体媒質が続いて燃焼プ
ロセスに用いられる場合が、後者の物質を用いることが特に好ましい。これによ
って、添加物が燃焼プロセスに不利な影響を与えることを防ぐことができる。
【００２１】 他の好ましい実施形態によれば、蒸発剤は各々異なる沸点を持つ多数の蒸発物
質を有する。特に、フラッシュアトマイザユニットを通過した時の圧力降下の結
果、最も沸点の低い気化物質がフラッシュ中で最初に蒸発し、沸騰気泡を形成す
る。その結果、残留する（液体）蒸発試薬が爆発又は小片化して小さな液滴とな
る。混合物は、例えば、水と二酸化炭素の混合物であるか、水と一酸化炭素の混
合物である。
【００２２】 沸点の低い気化物質の添加によって、微粒化した液滴の温度をさらに下げるこ
とができる。二酸化炭素で飽和した水（１５０ｂａｒの圧力で約７重量％）の微
粒化を１５０ｂａｒ、１５℃で行うと、急に１ｂａｒに膨張した時に１２．５℃
に低下する。
【００２３】 原理的に、本発明の圧縮装置はあらゆる条件下で適用することができる。特に
、効率上等温的な又は擬似等温的な圧縮が必要となるような条件に、及び圧縮ユ
ニットの前、中、又はその後の滞留時間が短く制限されている結果蒸発時間がわ
ずかしかないような条件に適用することができる。
【００２４】 本発明の圧縮装置は、エネルギ発生システムにも適用することができる。例え
ば、ガスタービン、気体分離装置、又は燃焼エンジンのために用いられる圧縮ユ
ニットなどである。原理的に、本発明は、圧縮が必要な全ての気体に用いること
ができる。例えば、天然ガス、アンモニア、空気、窒素及び酸素、水素、合成ガ
ス、二酸化炭素、及び不活性ガスなどである。
【００２５】 本発明の圧縮装置は、回転又はピストンエンジンに用いることもできる。例え
ば、ガスエンジンやディーゼルエンジンやオットーエンジン等の燃焼エンジンで
ある。ピストン圧縮機又は燃焼エンジンの圧縮ストローク中におけるピストン圧
縮の仕事も、軸状又は放射状の（ガスタービン）圧縮機と同様に、擬似等温圧縮
を適用することによって減少させることができる。ターボチャージャを備えたデ
ィーゼルエンジンにおいては、ターボチャージャの前と中及び圧縮チャンバの前
と中の両方において微粒化を行う。微細に霧化された水は蒸発し、温度が下がり
、断熱圧縮に比べて圧縮仕事が減少する。
【００２６】 上述したように、燃焼エンジンにおいては、フラッシュアトマイザユニットを
独立した圧縮チャンバ又は圧縮ユニットに導入することが好ましい。これにより
、擬似等温的な圧縮が燃焼エンジンの圧縮ストロークの間に起こる。熱交換器が
圧縮チャンバ又はユニットと燃焼エンジンの燃焼チャンバとの間に配置される。
燃焼チャンバは、燃焼エンジンの排気口と熱交換的な接触を行っている。したが
って、排気ガスの熱から、冷えた圧縮された気体の熱を回収することができる。
【００２７】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の圧縮装置及びこの装置を用いた圧縮システムにおける上記の及び他の
特徴を実施の例に従って説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものでは
ない。
【００２８】 図１は、エネルギ発生のためのシステム１を示す。システム１は、ガス膨張タ
ービン４によってシャフト３を介して駆動される圧縮ユニット２を備える。ガス
膨張タービン４は、発電機５も駆動する。
【００２９】 圧縮ユニット２は、（媒質）気体の導入口６、及び圧縮された気体の排出口７
を備える。気体の導入口６には、蒸発剤を微粒化するための微粒化手段８が設け
られており、この実施形態の場合には水が水供給器９を介して気体に導入されて
いる。微粒化手段８はリングを設けた筐体を備えており、そのリングを通して圧
縮する気体を流す。このリングの円周には、非常に多数の（既知の）フラッシュ
アトマイザユニットが短い間隔で設置されており、その各々に水供給器９が接続
されている。熱交換器１６において、また必要であれば熱交換器１０においても
、水が１４０−２５０℃に予備加熱される。フラッシュアトマイザユニットは（
図７に示すように）渦巻きアトマイザ（swirl atomizer）によって構成されてお
り、径の中央値が１−２μｍの水滴が気体中に噴射される。噴射される微粒化水
の最大流速は、気体流速が１００ｋｇ/ｓである場合に２０ｋｇ/ｓである。ガス
タービンにあるような既存の圧縮ユニットにおいては、従来の一般的な流速は気
体供給に対して最大５％であり、新種のガスタービンにおいては最大２０％であ
った。
【００３０】 回収熱交換器１０を通過させた後に、圧縮されて過熱された気体を排出口７を
介して燃焼ユニット１１に送る。燃焼ユニットには、燃料導入口から燃料が供給
される。
【００３１】 排煙はユニット１３において清浄化され、灰の粉塵が排出口１４から排出され
る。清浄化された排煙はガスタービン４を駆動する。ガスタービンを通過した後
、気体はライン１５を介して回収熱交換器１０及び熱交換器１６を通過し、煙突
１７を介してシステム１７から排出される。
【００３２】 燃料がバイオマスである場合、熱交換器において乾燥させたバイオマスは、ユ
ニット１８において加圧される。
【００３３】 図２は、同様のシステム２０を示しており、エネルギの発生に用いる。同一の
ユニットには同一の符号を付している。
【００３４】 システム２０において、蒸発剤（水）は水供給器９を介して、圧縮ユニット２
の複数の圧縮段階に前もって送られる。その終端部に、圧縮ユニットは多数の微
粒化手段を備えており、各々にフラッシュアトマイザユニットが設けられている
。こうして擬似等温冷却を行うことができる。さらに、燃焼ユニット１１のため
のバイパスライン２１が設けられており、燃焼温度及び／又はタービンの温度を
調整することができる。ガスタービン４を出た気体は、ライン１５を通過してラ
イン２２から排出される。
【００３５】 図３は、気体分離のための圧縮を行うシステム２３を示す。多数の圧縮機２４
によって、導入口６から供給された気体が加圧される。ライン９から微粒化手段
８に供給された水によって、気体が冷却される。微粒化手段のうち少なくとも１
つがフラッシュアトマイザユニットを備えている。加圧された気体は、一般的な
気体分離装置２６に送られる。図３に示すシステム２３の変形では、圧縮機２４
及び微粒化手段８を１つだけ備えており、微粒化手段は、フラッシュアトマイザ
ユニットによって、導入口６から供給された気体中においてフラッシュ微粒化を
行う。気体（２９ｋｇ/ｓ）は、水のフラッシュ微粒化を行いながら、擬似等温
的に圧縮される（２００℃において１００ｂａｒ）。気体は１５℃から８３℃に
温度が上がるが、続いて２５℃に冷却される。圧縮仕事は５．３ＭＷである。冷
却容量は６．９ＭＷである。断熱的な圧縮を行った場合（２００℃において５ｂ
ａｒ）、続いて２５℃に冷却され、圧縮仕事は５．６ＭＷであり、冷却容量は５
．９ＭＷである。本発明のシステムによれば、エネルギ消費を５．５％抑えるこ
とができる。さらに、圧縮機２４の容量は約１０％向上する。気体中に水がある
ことにより冷却容量は著しく向上するが、容量の増加は水が濃縮された結果であ
る。
【００３６】 酸素、窒素及び水素を常圧から１６ｂａｒに圧縮するには、現在の技術におい
ては、間にインタークーラを設けた多段階の圧縮機を用いる。酸素（３２ｋｇ/
ｓ）においては、酸素は第１の圧縮段階において４ｂａｒ（温度１７５℃）に断
熱圧縮され、続いて４０℃に冷却され、そこで圧力は３．８ｂａｒに減少する。
圧縮仕事は４．７ＭＷであり、冷却容量は４ＭＷである。第２の圧縮機において
、酸素は８ｂａｒ（温度２１４℃）に圧縮され、続いて２５℃に冷却される。こ
の場合、圧縮仕事は５．８ＭＷであり、冷却容量は５．５ＭＷである。合計の圧
縮エネルギは１０．５ＭＷであり、合計の冷却容量は９．５ＭＷである。
【００３７】 本発明に従って酸素の擬似等温的な圧縮を行い、本発明の微粒化手段８を用い
れば、１００ｂａｒ、２００℃において４ｋｇ/ｓの水を酸素中でフラッシュ微
粒化によって微粒化することができる。圧縮された酸素（１３１℃）は、続いて
２５℃に冷却される。この場合、圧縮仕事は１０．４ＭＷであり、冷却容量は１
２．８ＭＷである。冷却容量の増大は、水の濃縮によるものであり、これにより
冷却コストが削減される。また、用いる圧縮段階を単一にすることにより、装置
の構成は非常に簡易になり、装置のコストも大きく削減される。さらに、全ての
圧力範囲に渡って本来的に低温化することができるため、水滴の存在と相俟って
、酸素及び水素の圧縮において安全性が増すという利点もあり、プロセスが著し
く安全となる。
【００３８】 図４は、エネルギを発生させるためのシステム２５を示す。システム２５は、
気体の導入口２６及び圧縮された空気の排出口２８を供えた圧縮機２７を有して
おり、排出口２８はタービン３０の冷却気体の導入口２９に接続されている。気
体導入口２９には、フラッシュアトマイザユニット３１が設けられている。フラ
ッシュアトマイザユニット３１にライン３２を介して供給された蒸発剤、例えば
水が、圧縮気体に噴霧されて、２つの導入口３３及び３４を介してタービン３０
に供給される。このようにして、冷却された空気をタービンに送ることができる
。実際上は、既存のロータ気体冷却器及び付加的にブースタ圧縮機を用いること
により、前述のフラッシュアトマイザユニットの数やサイズを減少し又はこれら
と置き換えることができる。
【００３９】 尚、圧縮された気体は、排出口３５及び熱交換器３６を介して燃料ユニット３
７にも供給される。燃料は、ライン３８から燃焼ユニット３７に供給される。タ
ービンから排煙するための排気口３９もまた熱交換器３６を通過しており、その
後に煙突４０を通じて排気が行われる。
【００４０】 ロータ気体冷却器を備えた既存のガスタービンと比較して、フラッシュアトマ
イザユニットを適用したガスタービンのの容量は増大し、例えば、５８．７ＭＷ
から６０．８ＭＷ若しくは６１．３ＭＷまでも増大する（後者の例においては、
ブースタコンプレッサは同様に閉じている）。
【００４１】 図５は、ターボチャージャ４２を備えたディーゼルエンジン４１を示している
。導入口４３を介して、ディーゼルオイルが６つのシリンダ４４に供給され、シ
リンダ４４に圧縮気体のための導入口が同様に設けられている。圧縮機４６にお
いて気体の圧縮が行われ、圧縮機４６はメインの導入口に接続されており、気体
の導入口４７を備えている。ライン４８を介してポンプ５０の圧力による水の供
給が行われ、水はフラッシュアトマイザユニット５１に送られる前に熱交換器４
９によって加熱される。フラッシュアトマイザユニットによって非常に微小に分
散された液滴が圧縮機４６に噴霧される。
【００４２】 ディーゼルエンジン４１の排気は、ライン５２を介して、タービン５３、熱交
換器４９及びバルブ５４を通り、排気口５６からシステムを出て行くことにより
行われる。フラッシュアトマイザユニット５１を用いることにより、より低温で
湿度の高い圧縮気体をディーゼルエンジン４１のシリンダに送ることができ、こ
れによりＮＯ2排出量を抑制することができる。
【００４３】 図６に示すように、同様のディーゼルエンジン５６において、フラッシュアト
マイザユニット５７を各々のシリンダ４４にディーゼルオイルの微粒化のために
設けても良い。ディーゼルオイルは、ライン４３を介して供給され、熱交換器５
８を通過させることによって加熱され、また必要であればシリンダと熱交換を行
うことによって加熱される。ディーゼルオイルは、それを受け入れるシリンダの
圧力、例えば約４０ｂａｒにおいてフラッシュ微粒化が起きるような温度にまで
昇温しなければならない。さらなる利点は、注入圧力が１０００ｂａｒ若しくは
それ以上から、例えば２００ｂａｒに下げることができることである。 ディーゼルオイルのような燃料には、沸騰する範囲がある。３５０℃において
は、ディーゼルオイルには既に相当のフラッシュ効果が生じている。これは、灯
油／ガソリン（２５０/１５０℃）においてはもっと低くなり、低速度の船舶用
ディーゼルエンジンにおいてはもっと高く、４００℃にもなる。より小さな液滴
はより効率的に燃焼するため、より均質な燃焼が起き、これは煤の発生を抑制す
る。
【００４４】 図７は、現在知られる渦巻きアトマイザ５９を示す。ライン６０から導入され
た蒸発剤６１が渦巻きチャンバ６３の接線方向に導入口６２を介して供給される
。蒸発剤は、渦巻き運動６４を行い、排出口６５から渦巻きチャンバを出て行く
。渦巻き運動をする蒸発剤は、気体媒質が存在する空間に、円錐状に進入する。
蒸発剤の層厚は減少していき、最後には分裂して微小な液滴となる。蒸発剤の層
厚が渦巻きチャンバ６３の排出経路６５の径よりも小さな事は、容易に見て取れ
るであろう。渦巻きアトマイザ５９は、サイズが小さく、比較的単純な構造を有
しているため、このような渦巻きアトマイザを多数適用して、圧縮中又はこれか
ら圧縮する気体媒質中の液体蒸発剤のフラッシュ微粒化行うことができる。
【００４５】 図８は、エネルギを発生するためのシステム６６を示す。このシステム６６は
、シャフト６８によってタービン６９に接続された圧縮機６７を備える。タービ
ン６９は発電機７０を駆動する。ベッセル７１から１５℃の水が熱交換器７３を
通じてポンプ７１によって送出される。熱交換器７３において、水はタービン６
９の排気７４によって１４０−２５０℃に加熱される。この温かく、加圧された
水がフラッシュアトマイザユニット７５に供給され、その中で水は１５℃の気体
７６中に噴霧される。圧縮機６７内で擬似等温的に圧縮された後に、圧縮された
期待は燃焼ユニット７７に送られ、その後に排気ガスがライン７８を介してター
ビン６９に供給される。
【００４６】 （本発明に係る図８に示した型の）圧縮装置を、本発明に従って既存のシステ
ムである、アリソン・セントラックス４００ｋＷガスタービン（Allison Centra
x 400kW gas turbine）に適用することを検討した。このガスタービンは逆向き
に設置する。初期のモデル２１においては、０．２ｍｍの穴を持つ渦巻きアトマ
イザが気体導入口に設けられている。第２のモデル１４においては、０．４ｍｍ
の穴を持つ渦巻きアトマイザが気体導入口に設けられている。１００、２００、
３００及び４００ｋＷの各々のチャージ量において一連の実験を行った。実験は
、これらのチャージ量において、水を導入する場合としない場合の両方について
行った。注入した水の相対的な量は、各々１．３％及び１．０％であった。実験
の間、ガスタービンのチャージ量は、タービン導入温度を調節することによって
一定のレベルに保たれた。容量の増大、完全な負荷容量、及びＮＯX発生につい
て予想される第一の比率を得るために、内挿及び外挿を行った。
【００４７】 その結果は、以下の表に示す。
【表１】
【００４８】 本発明の圧縮装置をセントラックス４００ｋＷガスタービンに用いると、ＮＯ X 発生が顕著に抑制された。さらに、完全負荷容量も、相対的な効率と同様に増
加した。既存のガスタービンを改装することにより、出力と完全負荷出力が改善
され、ＮＯX発生が減少することがはっきりとわかる。
【００４９】 図９は、エネルギを発生するためのシステム７９を示す。図８に示すシステム
６６と比較して、水８０だけでなく、二酸化炭素８１もベッセル７１に供給され
ている。ベッセル７１中の水は、二酸化炭素で飽和されている。水は、ポンプ７
２によって圧力をかけられてフラッシュアトマイザユニット７５に送られ、非常
に小さな水滴が形成されて気体７６の冷却が行われる。加湿された気体は、次に
圧縮機６７で圧縮され、その間に水滴が蒸発する。燃焼ユニット７７中で燃料と
共に燃焼した後、発電機７０を駆動するタービン６９を通じ、排気口８２から排
気が行われる。
【００５０】 図１０は、本発明によるエネルギ発生システムの別の例８３を示しており、こ
れはいわゆるＴＯＰＨＡＴ原理に従ったものである。気体８５は、フラッシュア
トマイザユニット８４中で水８６をフラッシュ微粒化して加えることにより、加
湿され冷却される。気体は、圧縮機８７に送られ、圧縮機８７は発電機９０を駆
動するガスタービン８９にシャフト８８を介して接続されている。冷えた圧縮さ
れた気体は、ライン９１を通じて熱交換器９２を通過し、燃焼ユニット９３に供
給される。燃焼ユニット９３には、ライン９４を介して燃料が供給される。ガス
タービン８９の排気は、ライン９５を介して熱交換器９２に送られ、圧縮機８７
からの冷えた圧縮された気体と熱交換器内で接触する。排気は、ライン９６を介
して熱交換器９７及び凝縮器９８を通過して煙突９９に向かう。凝縮器９８にお
いて、水が排気中から凝縮されてポンプ９９の圧力によって熱交換器９７に送ら
れる。その後、加圧されて適正な温度になっている水８６が、フラッシュアトマ
イザユニット８４に到達する。もし必要であれば、凝縮器からの凝縮水に、ライ
ン１００を介して水を加えても良い。
【００５１】 最後に、図１１は、本発明に係るエネルギ発生システム１０１であって、ＴＯ
ＰＨＡＣＥ原理に従ったエネルギ発生システムを示す。
【００５２】 １４０−２５０℃、１５０ｂａｒにある水を、ポンプ１０２によってフラッシ
ュアトマイザユニット１０３に送る。フラッシュアトマイザユニット１０３には
、気体（１５℃）がライン１０４を介して送られる。フラッシュアトマイザユニ
ット１０３から気体が圧縮機１０５に到達する。この圧縮機は効率０．８で動作
する。圧縮された気体（１４０℃）は、ライン１０６を介して熱交換器１０７に
送られ、燃焼エンジン１０８の排気ガスと熱交換を行う。燃焼エンジンは４つの
シリンダ１０９を備えている。シリンダ１０９からは、バルブ１１１から気体の
導入ライン１１０がライン１０６に接続している。シリンダ１０９の各々からは
、排気パイプ１１２が延びて熱交換器１０７を通過し、ライン１１３と熱交換器
１１４を通過し、凝縮器から煙突９９につながっている。凝縮器９８における凝
縮物１１５は、水浄化器１１６を通過し、ポンプ１２３によって加圧された後に
、熱交換器１１４を介してポンプ１０２に送られる。
【００５３】 シリンダの各々に、ポンプ１２４によってライン１２５及びバルブ（図示せず
）を介して燃料が供給される。
【００５４】 回収熱交換器の中では、気体が１４０℃から３７７℃に加熱される。一方、シ
リンダ１０９からの排気は４６５℃から２１０℃に冷却される。９ｂａｒの圧力
において、気体がシリンダ１０８に供給され、微粒化された燃料が注入される。
シリンダ１０９には、点火器１１７が備えられており、シリンダ１０９の各々に
おける混合物の点火を行う。全てのシリンダ１０９には、ピストン１１８が備え
られており、シャフト１１９に接続している。シャフト１１９は、その一端が圧
縮機１０５のシャフト１２０に接続しており、他端が発電機１２１に接続してお
り、間に比１：５のギヤ１２２が設けられている。
【００５５】 理想的な条件では、システム１０１は２２６ｋＷの出力を６４％の効率で得る
ことができる。Ａｔｋｉｎｓｏｎ原理に基づく従来の装置では、４８％の効率で
１７０ｋＷの出力しか得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る、フラッシュ微粒化を利用したエネルギ発
生（バイオマス-ＴＯＰＨＡＴ）用のシステムを示す概略図である。
【図２】 図２は、エネルギ発生（石炭-ＴＯＰＨＡＴ）用の他のシステム
を示す概略図である。
【図３】 図３は、気体分離のためのシステムを示す。
【図４】 図４は、エネルギ発生用のさらに別の例であって、高温気体部分
を冷却するための特別な処置を行った例を示す。
【図５】 図５は、船のディーゼルエンジンを示す概略図である。
【図６】 図６は、船のディーゼルエンジンを示す概略図である。
【図７】 図７は、フラッシュ渦巻きアトマイザを示す概略図である。
【図８】 図８は、渦巻きフラッシュによって改善したエネルギ発生用のシ
ステムを示す。
【図９】 図９は、図８に示すシステムの変形例であり、異なる沸点の蒸発
物質を含む蒸発剤を用いている。
【図１０】 図１０は、本発明に係る、ＴＯＰＨＡＴ原理（TOP Humidified
Air Turbine）に従ったエネルギ発生システムの別の例を示す。
【図１１】 図１１は、ＴＯＰＨＡＣＥ原理（TOP Humidified Combustion
Engine）に従ったエネルギ発生システムを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 媒質の導入口と、圧縮された媒質の排出口と、媒質の液体蒸
    発剤を微粒化する手段とを備えた圧縮ユニットを含む気体媒質の圧縮装置であっ
    て、 前記微粒化する手段が、少なくとも１つのフラッシュ微粒化ユニットを有して
    おり、該フラッシュ微粒化ユニットが、微粒化する蒸発剤中に気体を発生させる
    ことにより微粒化する蒸発剤を小片化できるように配置して設けられたことを特
    徴とする圧縮装置。
  2. 【請求項２】 前記フラッシュ微粒化ユニットが、フラッシュ渦巻き微粒化
    ユニットであることを特徴とする請求項１記載の圧縮装置。
  3. 【請求項３】 前記フラッシュ微粒化ユニットが、前記蒸発剤の温度及び／
    又は微粒化圧力を調節する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の
    圧縮装置。
  4. 【請求項４】 前記蒸発剤の温度を調節する手段が、前記蒸発剤をしきい温
    度又はその近傍の温度にすることを特徴とする請求項３記載の圧縮装置。
  5. 【請求項５】 前記蒸発剤が、該蒸発剤の表面張力を減少させるための薬品
    を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  6. 【請求項６】 前記蒸発剤の表面張力を減少させるための薬品が、可燃性の
    及び／又は揮発性の物質であることを特徴とする請求項５記載の圧縮装置。
  7. 【請求項７】 前記蒸発剤が、異なる沸点を有する蒸発物質の混合物である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  8. 【請求項８】 前記混合物が、水と二酸化炭素、又は水と一酸化炭素を含む
    ことを特徴とする請求項６記載の圧縮装置。
  9. 【請求項９】 前記微粒化手段が、前記蒸発剤が前記媒質を圧縮する前、最
    中及び／又は後に加えられるように配置され設けられたことを特徴とする請求項
    １乃至８のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  10. 【請求項１０】 前記微粒化手段が、前記圧縮ユニットの実質的に全長に渡
    って冷却が起こるように配置され設けられたことを特徴とする請求項９記載の圧
    縮装置。
  11. 【請求項１１】 少なくとも１つのガスタービンと、少なくとも１つの請求
    項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧縮装置であって前記ガスタービンに駆動
    される圧縮装置とを有するエネルギ発生のためのシステム。
  12. 【請求項１２】 前記フラッシュ微粒化ユニットが、前記圧縮装置の気体供
    給ラインに設けられたことを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 フラッシュ微粒化ユニットが、前記ガスタービンの冷却気
    体供給ラインに設けられたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のシステ
    ム。
  14. 【請求項１４】 前記システムに燃焼エンジンが接続されていることを特徴
    とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 前記フラッシュ微粒化ユニットが、前記燃焼エンジンの気
    体導入口及び必要であれば燃料の導入口に設けられたことを特徴とする請求項１
    ３又は１４に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 少なくとも１つの請求項１乃至１０のいずれか１項に記載
    の圧縮装置であって燃焼エンジンによって駆動される圧縮装置と、前記燃焼エン
    ジンに供給される圧縮媒質と前記燃焼エンジンから発生する排気ガスの間の熱交
    換を行う熱交換器とを備えたエネルギ発生のためのシステム。
  17. 【請求項１７】 少なくとも１つの請求項１乃至１０のいずれか１項に記載
    の圧縮装置を備えた気体分離のためのシステム。
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