JP2021032241A - Volume expander - Google Patents

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Abstract

To provide a solution to at least one of various problems by disposing a volume expander not requiring additional energy or fuel.SOLUTION: A volume expander 1 for expanding a gas comprises: at least one expansion element 2 having an inlet 3 for a gas to be expanded and an outlet 4 for an expanded gas; a generator 5 driven by the expansion element 2 to generate electric energy; and a heat pump 7 having a compressor 10 and a condenser 9 for heating a gas. The compressor 10 of the heat pump 7 is electrically driven using the generator 5.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガスを膨張させるための体積膨張装置に関する。 The present invention relates to a volume expansion device for expanding a gas.

詳細には、本発明は、例えば天然ガスなどのガスを膨張させることを対象とし、ガスは膨張時のガスの温度低下を補うために加熱される。 In particular, the present invention is directed to expanding a gas, such as natural gas, the gas being heated to compensate for the temperature drop of the gas during expansion.

ガスの温度が大幅に低下するとガスは膨張後に低温になり過ぎるので、膨張装置の下流側で問題が生じる。 When the temperature of the gas drops significantly, the gas becomes too cold after expansion, which causes a problem on the downstream side of the expansion device.

天然ガスの一部を燃やす例えばボイラなどの装置がすでに知られており、それによって、燃焼ガスの発生熱が、膨張後の天然ガスを加熱するために使用されることになる。 Devices such as boilers that burn a portion of natural gas are already known, so that the heat generated by the combustion gas is used to heat the expanded natural gas.

もしくは、ガス機関が天然ガスの一部を燃やし、結果的に例えば機械的負荷を駆動することになる装置も知られており、これにより、発生（余剰）熱が膨張後の天然ガスを加熱するために使用されることになる。 Alternatively, a device is also known in which a gas engine burns a portion of natural gas, resulting in, for example, driving a mechanical load, whereby the generated (surplus) heat heats the expanded natural gas. Will be used for.

上記の２つの事例において、膨張後の天然ガスの加熱は、例えば熱交換器によって直接行なうことができるが、中間回路の使用は排除しない。 In the above two cases, the heating of the natural gas after expansion can be performed directly by, for example, a heat exchanger, but the use of an intermediate circuit is not excluded.

また、膨張装置も知られており、ガスはこの温度低下を補うためにヒートポンプを利用して加熱される。 An expansion device is also known, and the gas is heated by using a heat pump to compensate for this temperature drop.

ヒートポンプの圧縮器を駆動するためにモータを使用することができる。 A motor can be used to drive the compressor of the heat pump.

この問題点は、燃焼機関の場合、燃料が必要であり、ＣＯ2が発生することになる。 The problem is that in the case of a combustion engine, fuel is required and CO 2 is generated.

また、ヒートポンプを駆動するために圧縮器と膨張要素との間で機械的結合をもたらすことも可能である。ここでは圧縮器の軸が膨張要素に連結しているので付加的なエネルギー源又は燃料は不要であるが、ヒートポンプから出る軸が存在するので、他の技術的課題があることになる。ヒートポンプは閉じたユニットなので、このような軸はシールする必要がある。 It is also possible to provide a mechanical coupling between the compressor and the expanding element to drive the heat pump. Here, since the shaft of the compressor is connected to the expansion element, no additional energy source or fuel is required, but there are other technical issues due to the presence of the shaft coming out of the heat pump. Since the heat pump is a closed unit, such shafts need to be sealed.

本発明の目的は、付加的なエネルギー又は燃料を必要としない体積膨張装置を設けることで、上記の及び他の問題点のうちの少なくとも１つに対する解決策を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solution to at least one of the above and other problems by providing a volume expansion device that does not require additional energy or fuel.

本発明の対象はガスを膨張させるための体積膨張装置であり、
膨張することになるガス用の入口及び膨張ガス用の出口を有する少なくとも１つの膨張要素と、
膨張要素によって駆動されて、電気エネルギーを生成する発電機と、
ガスを加熱するための凝縮器及び圧縮器を有するヒートポンプと、
を備え、
ヒートポンプの圧縮器は、発電機を用いて電気的に駆動されることを特徴とする。 The object of the present invention is a volume expansion device for expanding a gas.
With at least one expanding element having an inlet for the gas to be expanded and an outlet for the expanding gas,
A generator that is driven by an expansion element to generate electrical energy,
A heat pump with a condenser and compressor for heating the gas,
With
The compressor of the heat pump is characterized in that it is electrically driven by using a generator.

これは、ヒートポンプのための追加のエネルギー源又は燃料を必要としないという利点をもたらす。 This has the advantage of not requiring an additional energy source or fuel for the heat pump.

これは、環境に優しいだけでなく、使用できる膨張装置との強固な一体化をもたらすことができる。 This is not only environmentally friendly, but can also result in strong integration with usable inflators.

圧縮器の軸が膨張要素に連結されるので追加のエネルギー源又は燃料が不要である、圧縮器の膨張要素との機械的結合と比べて、本発明は、シールを必要とするヒートポンプから出る軸を必要としないという付加的な利点を有する。 Compared to mechanical coupling with the compressor expansion element, which does not require an additional energy source or fuel because the compressor shaft is connected to the expansion element, the present invention presents a shaft coming out of a heat pump that requires a seal. Has the additional advantage of not requiring.

さらに、ヒートポンプの圧縮器の発電機との電気的接続により、ヒートポンプの圧縮器と膨張要素との間の軸との機械的結合に比べて大きな設計的自由度がもたらされる。 In addition, the electrical connection of the heat pump compressor to the generator provides greater design freedom compared to the mechanical coupling of the shaft between the heat pump compressor and the expansion element.

本発明の実際的な実施に関して、ガスが加熱されるヒートポンプの凝縮器は、膨張要素の入口から上流側（膨張することになるガスが膨張する前に予熱される）、及び膨張要素の出口から下流側（膨張ガスが加熱される）の両方に配置することができる。 For practical implementation of the present invention, the condenser of the heat pump in which the gas is heated is upstream from the inlet of the expanding element (preheated before the gas to be expanded expands) and from the outlet of the expanding element. It can be placed both on the downstream side (where the expansion gas is heated).

別の実施形態は、２部品又は２段凝縮器に関し、凝縮器は２つの副凝縮器又は凝縮器部分を備え、凝縮器部分は、膨張機から上流側及び下流側に配置される。明白に、２つの別個の凝縮器を備えることもできる。 In another embodiment, with respect to a two-part or two-stage condenser, the condenser comprises two sub-condenser or condenser portions, the condenser portions being located upstream and downstream from the expander. Obviously, it is also possible to have two separate condensers.

膨張の前後でガスを加熱することで、ヒートポンプは、ガスの温度を高温に上昇させる必要がなく、これはより好都合でありよりエネルギー効率が良い。 By heating the gas before and after expansion, the heat pump does not need to raise the temperature of the gas to a high temperature, which is more convenient and more energy efficient.

本発明の特徴を上手く示すことを目的として、非限定的に添付図面を参照して本発明による体積膨張機のいくつかの好ましい実施形態を例示的に以下に説明する。 For the purpose of successfully demonstrating the features of the present invention, some preferred embodiments of the volume expander according to the present invention will be exemplified below with reference to the accompanying drawings without limitation.

本発明による体積膨張装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the volume expansion apparatus by this invention. 本発明による体積膨張装置の他の実施形態を示す。Other embodiments of the volume expansion device according to the present invention are shown. 本発明による体積膨張装置の他の代替的な実施形態を示す。Other alternative embodiments of the volume expansion device according to the invention are shown.

図１に概略的に示される体積膨張装置１は、膨張要素２を備える。 The volume expansion device 1 schematically shown in FIG. 1 includes an expansion element 2.

この膨張要素２は、例えばスクリュー式膨張要素２又は歯付き膨張機とすることができる。 The expansion element 2 can be, for example, a screw type expansion element 2 or a toothed expansion machine.

図１には唯一の膨張要素２が示されているが、複数の膨張要素２を直列／並列に配置することもできる。 Although only the expansion element 2 is shown in FIG. 1, a plurality of expansion elements 2 can be arranged in series / parallel.

直列に配置された膨張要素２は、別のステップ又は「段」でガスを膨張させることができる。 The expanding elements 2 arranged in series can expand the gas in another step or "stage".

膨張要素２は、膨張することになるガス用の入口３及び膨張ガス用の出口４を備えることができる。 The expansion element 2 can include an inlet 3 for gas to be expanded and an outlet 4 for expansion gas.

また、体積膨張装置１は、膨張要素２で駆動することができる発電機５を備える。 Further, the volume expansion device 1 includes a generator 5 that can be driven by the expansion element 2.

発電機５は、電気エネルギーを生成することができる。 The generator 5 can generate electrical energy.

発電機５は、トルク伝達トランスミッション６によって膨張要素２に結合される。 The generator 5 is coupled to the expansion element 2 by the torque transmission transmission 6.

本発明では必須ではないが、トランスミッション６は、例えばギヤボックスとすることができる。ベルト式トランスミッション、たわみ継手、直結も可能である。 Although not essential in the present invention, the transmission 6 can be, for example, a gearbox. Belt type transmissions, flexible joints, and direct connections are also possible.

また、膨張装置１は、ヒートポンプ７を備える。 Further, the expansion device 1 includes a heat pump 7.

図示のように、ヒートポンプ７は、例えば周囲空気などの熱源から熱を抽出する蒸発器８、ガスに熱を放出することができる凝縮器９、ヒートポンプ７を循環する冷媒を圧縮する圧縮器１０、及び凝縮冷媒を膨張させるスロットルバルブ１１を備える。 As shown in the figure, the heat pump 7 includes an evaporator 8 that extracts heat from a heat source such as ambient air, a condenser 9 that can release heat to a gas, and a compressor 10 that compresses a refrigerant that circulates in the heat pump 7. And a throttle valve 11 for expanding the condensed refrigerant.

この場合、上記蒸発器８は、周囲空気から熱を抽出できる空冷式熱交換器である。 In this case, the evaporator 8 is an air-cooled heat exchanger that can extract heat from the ambient air.

図１に示すように、凝縮器９は、膨張要素２の入口３の上流側に配置される。 As shown in FIG. 1, the condenser 9 is arranged on the upstream side of the inlet 3 of the expansion element 2.

本発明によれば、ヒートポンプ７の圧縮器１０は、発電機５によって電気的に駆動される。このことは、発電機５から生成される電気エネルギーの一部がヒートポンプ７の圧縮器１０を駆動するのに使用されることを意味する。 According to the present invention, the compressor 10 of the heat pump 7 is electrically driven by the generator 5. This means that a part of the electric energy generated from the generator 5 is used to drive the compressor 10 of the heat pump 7.

この場合、圧縮器１０は、結果的に、実際の圧縮器要素及び駆動装置、例えば電気モータを備える圧縮器装置と考えることができる。換言すると、図１に概略的に示される圧縮器１０と発電機５との間の結合手段は、発電機５と上記電気モータとの間の結合部と考えることができる。 In this case, the compressor 10 can eventually be thought of as an actual compressor element and drive device, eg, a compressor device with an electric motor. In other words, the coupling means between the compressor 10 and the generator 5, which is schematically shown in FIG. 1, can be considered as a coupling portion between the generator 5 and the electric motor.

体積膨張装置１の動作は非常に単純で以下の通りである。 The operation of the volume expansion device 1 is very simple and is as follows.

膨張することになるガスが最初にヒートポンプ７の凝縮器９を通過する。 The gas to be expanded first passes through the condenser 9 of the heat pump 7.

ヒートポンプ７、詳細にはヒートポンプ７の圧縮器１０が、発電機５によって、より詳細には発電機５によって生成された電気エネルギーによって駆動される。 The heat pump 7, specifically the compressor 10 of the heat pump 7, is driven by the generator 5, more specifically by the electrical energy generated by the generator 5.

凝縮器９を通過する間に、膨張することになるガスが加熱される。 While passing through the condenser 9, the gas that will expand is heated.

次に、膨張することになるガスが入口３を通って膨張要素２の中に入る。 Next, the gas to be expanded enters the expansion element 2 through the inlet 3.

膨張要素２によって膨張されたガスが温度低下を経験する。 The gas expanded by the expansion element 2 experiences a temperature drop.

膨張プロセスの間に、膨張要素２が発電機５を駆動するので、発電機によって電気エネルギーが生成される。 During the expansion process, the expansion element 2 drives the generator 5, so that the generator produces electrical energy.

ガスが出口４を通って膨張要素２から出ると、ガスは続いて膨張装置１から出る。 When the gas exits the expansion element 2 through the outlet 4, the gas subsequently exits the expansion device 1.

膨張要素２の入口３から上流側に凝縮器９を配置することで、膨張ガス塊につき最も多くの電力が生成される。換言すると、ガスを膨張前に加熱することで膨張ガス塊につきより多くのエネルギーを回収することができる。 By arranging the condenser 9 on the upstream side from the inlet 3 of the expansion element 2, the largest amount of electric power is generated for the expansion gas mass. In other words, by heating the gas before expansion, more energy can be recovered per expanded gas mass.

図２は、図１の変形例を示し、この場合、ヒートポンプ７の凝縮器９は、膨張要素２の出口４から下流側に配置される。また、膨張装置１は、ガスを加熱するための熱交換器１２を備え、熱交換器１２は、ヒートポンプ７の凝縮器９から上流側であるが、膨張要素２の出口４から下流側に組み込まれる。 FIG. 2 shows a modification of FIG. 1, in which case the condenser 9 of the heat pump 7 is arranged downstream from the outlet 4 of the expansion element 2. Further, the expansion device 1 includes a heat exchanger 12 for heating the gas, and the heat exchanger 12 is incorporated on the upstream side from the condenser 9 of the heat pump 7, but on the downstream side from the outlet 4 of the expansion element 2. Is done.

熱交換器１２は、この場合、追加の消費電力なしに付加的な冷却を利用できるという利点を有し、付加的な冷却は、冷凍製品用の冷蔵倉庫のために、サーバを備えるデータセンタを冷却するために、又はビルの空気調節のために適用できる。 The heat exchanger 12 has the advantage in this case that additional cooling can be utilized without additional power consumption, and the additional cooling provides a data center with a server for a refrigerated warehouse for refrigerated products. It can be applied for cooling or for air conditioning in buildings.

その他の点に関して、膨張装置１及びその動作は図１と同じである。 In other respects, the expansion device 1 and its operation are the same as in FIG.

上記の熱交換器１２を使用すると、ガスは予熱することができ、これによりヒートポンプ７は、ガスをさらに加熱することができる。 Using the heat exchanger 12 described above, the gas can be preheated, which allows the heat pump 7 to further heat the gas.

図２の実施例では発電機４によって生成される電力はより少ないが、熱交換器によって生成される冷気は、上手く使うことができるので、さもなければ冷気を生成するために又は冷却するために必要な電力を節約することができる。さらに、ガスがすでに部分的に加熱されているので、ヒートポンプ７に必要な電力はより少ない。 In the embodiment of FIG. 2, the power generated by the generator 4 is less, but the cold air produced by the heat exchanger can be used well and otherwise to generate or cool the cold air. The required power can be saved. Moreover, less power is required for the heat pump 7 because the gas is already partially heated.

冷気又は冷却に対する需要が高い場合、これは膨張ガス塊につき生成されより多くの正味電力につながる場合さえある。 If the demand for cold air or cooling is high, this can even lead to more net power generated per expanded gas mass.

図３は、図１のさらに他の変形例を示し、この場合、２つのヒートポンプ７が設けられており、各ヒートポンプ７のうちの一方の凝縮器９が膨張要素２の入口３から上流側に配置され、各ヒートポンプ７のうちの他方の凝縮器９が膨張要素２の出口４から下流側に配置される。 FIG. 3 shows still another modification of FIG. 1, in which case two heat pumps 7 are provided, and one of the heat pumps 7 has a condenser 9 upstream from the inlet 3 of the expansion element 2. The other condenser 9 of each heat pump 7 is arranged downstream from the outlet 4 of the expansion element 2.

膨張の前及び後でガスを加熱することで、各ヒートポンプ７は、ガスの温度を高温に上昇させる必要がなく、このことはより好都合でありよりエネルギー効率が良いであろう。 By heating the gas before and after expansion, each heat pump 7 does not need to raise the temperature of the gas to a high temperature, which would be more convenient and more energy efficient.

本発明は、実施例として説明されて各図面に示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の体積膨張機は、様々な形態及び寸法で実現できる。 The present invention is not limited to the embodiments described as examples and shown in the drawings, and the volume expander of the present invention can be realized in various forms and dimensions.

１ 膨張装置
２ 膨張要素
３ 入口
４ 出口
５ 発電機
６ トランスミッション
７ ヒートポンプ
８ 蒸発器
９ 凝縮器
１０ 圧縮器
１１ スロットルバルブ 1 Expansion device 2 Expansion element 3 Inlet 4 Outlet 5 Generator 6 Transmission 7 Heat pump 8 Evaporator 9 Condenser 10 Compressor 11 Throttle valve

図２の実施例では発電機５によって生成される電力はより少ないが、熱交換器によって生成される冷気は、上手く使うことができるので、さもなければ冷気を生成するために又は冷却するために必要な電力を節約することができる。さらに、ガスがすでに部分的に加熱されているので、ヒートポンプ７に必要な電力はより少ない。 In the embodiment of FIG. 2, the power generated by the generator 5 is less, but the cold air produced by the heat exchanger can be used well and otherwise to generate or cool the cold air. The required power can be saved. Moreover, less power is required for the heat pump 7 because the gas is already partially heated.

Claims (7)

ガスを膨張させるための体積膨張装置であって、
膨張することになるガス用の入口（３）及び膨張ガス用の出口（４）を有する少なくとも１つの膨張要素（２）と、
前記膨張要素（２）によって駆動されて、電気エネルギーを生成する発電機（５）と、
前記ガスを加熱するための凝縮器（９）及び圧縮器（１０）を有するヒートポンプ（７）と、
を備え、
前記ヒートポンプ（７）の圧縮器（１０）は、前記発電機（５）を用いて電気的に駆動されることを特徴とする体積膨張装置。 A volume expansion device for expanding gas,
With at least one expanding element (2) having an inlet (3) for the gas to be expanded and an outlet (4) for the expanding gas.
A generator (5) driven by the expansion element (2) to generate electrical energy,
A heat pump (7) having a condenser (9) and a compressor (10) for heating the gas, and a heat pump (7).
With
The compressor (10) of the heat pump (7) is a volume expansion device characterized in that it is electrically driven by the generator (5). 前記発電機（５）は、トランスミッション（６）によって前記．膨張要素（２）に結合される、請求項１に記載の体積膨張装置。 The generator (5) is described by the transmission (6). The volumetric expansion device according to claim 1, which is coupled to the expansion element (2). 前記ヒートポンプ（７）の前記凝縮器（９）は、前記膨張要素（２）の入口（３）から上流側に配置される、請求項１又は２に記載の体積膨張装置。 The volume expansion device according to claim 1 or 2, wherein the condenser (9) of the heat pump (7) is arranged upstream from the inlet (3) of the expansion element (2). 前記ヒートポンプ（７）の前記凝縮器（９）は、前記膨張要素（２）の出口（３）から下流側に配置される、請求項１又は２に記載の体積膨張装置。 The volume expansion device according to claim 1 or 2, wherein the condenser (9) of the heat pump (7) is arranged on the downstream side from the outlet (3) of the expansion element (2). 前記凝縮器（９）は、２つの副凝縮器を備え、１つの副凝縮器は前記膨張要素（２）から上流側に、１つの副凝縮器は前記膨張要素（２）から下流側に配置され、もしくは、各々が凝縮器（９）を有する２つのヒートポンプ（７）が設けられ、１つの凝縮器は前記膨張要素（２）から上流側に、１つの凝縮器は前記膨張要素（２）から下流側に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の体積膨張装置。 The condenser (9) includes two sub-condensers, one sub-condenser located upstream from the expansion element (2) and one sub-condenser located downstream from the expansion element (2). Alternatively, two heat pumps (7), each having a condenser (9), are provided, one condenser upstream of the expansion element (2) and one condenser the expansion element (2). The volume expansion device according to any one of claims 1 to 4, which is arranged downstream from the above. 直列及び／又は並列に配置された複数の膨張要素（２）が存在する、請求項１から５のいずれか一項に記載の体積膨張装置。 The volume expansion device according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of expansion elements (2) arranged in series and / or in parallel are present. 前記膨張装置（１）は、前記ガスを加熱する１又は複数の熱交換器（１２）をさらに備え、前記熱交換器（１２）は、前記ヒートポンプ（７）の前記凝縮器（９）から上流側及び／又は下流側に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の体積膨張装置。 The expansion device (1) further includes one or a plurality of heat exchangers (12) for heating the gas, and the heat exchanger (12) is upstream from the condenser (9) of the heat pump (7). The volume expansion device according to any one of claims 1 to 6, which is arranged on the side and / or the downstream side.
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