JP2022537637A - エネルギー変換システム - Google Patents

Abstract

エネルギー変換システムは、第１の液体を含むライザー導管と、第２の液体を含むダウンカマーであって、ダウンカマーは、ライザー導管と流体連通しており、第２の液体は、第１の液体と、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように懸濁している微細に分割された材料とを含み、ダウンカマーは、第１のタンクおよび第２のタンクと流体連通している、ダウンカマーと、第１の液体のエネルギーを、エネルギー変換システムから出力するためのエネルギーに変換し、その後、第１の液体を排出するように配置された変換装置と、微細に分割された材料の懸濁状態を維持するために第３の液体を再循環させるように配置された再循環器であって、第３の液体は、第２の液体と、懸濁しているさらなる微細に分割された材料とを含む、再循環器と、を含む。再循環器は、第３の液体を排出して、変換装置からの第１の液体と混合して第２の液体を形成するように配置される。第１のタンクおよび第２のタンクは、変換装置とダウンカマーの間に配置され、変換装置から排出された第１の液体を受け入れて、第１の液体をダウンカマーに供給する。第１および第２のタンクへの第１の液体の供給は、第１および第２のタンク内の液体の高さを所定の閾値以下に維持するように使用時に規制される。【選択図】図１

Description

本発明の例示的な実施形態は、エネルギー変換システム、および関連する方法に関する。

いくつかのエネルギー変換システムは、液体中に懸濁している微細に分割された材料（細分化された材料、以下同様）を含む。微細に分割された材料の希釈度の変化、したがって液体の比重の変化により、液体が重力の作用下でシステム内を移動し、エネルギー変換プロセスが行われる。しかし、このようなエネルギー変換システムの動作中に、液体の比重をエネルギー変換システムの動作として意図した設計パラメータ内に収まるように調整することは困難である。

本発明の例示的な実施形態は、本明細書で特定されているか否かにかかわらず、先行技術の少なくとも１つの問題を解決することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、エネルギー変換システムであって、第１の液体を含むライザー導管と、第２の液体を含むダウンカマーであって、ダウンカマーは、ライザー導管と流体連通しており、第２の液体は、第１の液体と、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように懸濁している微細に分割された材料とを含み、ダウンカマーは、第１のタンクおよび第２のタンクと流体連通している、ダウンカマーと、第１の液体のエネルギーを、エネルギー変換システムから出力するためのエネルギーに変換し、その後、第１の液体を排出するように配置された変換装置と、微細に分割された材料の懸濁状態を維持するために第３の液体を再循環させるように配置された再循環器であって、第３の液体は、第２の液体と、第３の液体が第２の液体よりも高い比重を有するように懸濁しているさらなる微細に分割された材料とを含む、再循環器と、を含むエネルギー変換システムが提供される。再循環器は、第３の液体を排出し、変換装置からの第１の液体と混合して第２の液体を形成するように配置され、第１のタンクおよび第２のタンクは、変換装置とダウンカマーとの間に配置され、変換装置から排出された第１の液体を受け入れ、第１の液体をダウンカマーに供給し、第１および第２のタンク内の液体の高さを所定の閾値以下に維持するために、第１および第２のタンクへの第１の液体の供給は、使用時に規制される。

このようなエネルギー変換システムは、第１および第２のタンクの各々における液体の高さを所定の閾値以下に維持することが、ライザー導管内の第１の液体の高さを制御するのに役立ち、したがって、タービンを駆動するために利用可能な水頭を維持することができるので、有利である。

一例では、第１の液体の供給の規制は、使用時に第１のタンクと第２のタンクとの間で排出を交互に行う交互排出配置（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）によって行われる。一例では、交互排出配置は、単一の入口ポートと２つの出口ポートとを有するダイバータバルブを含む。一例では、交互排出配置は、可動式プレートを有するダイバータバルブを含み、プレートの動きが２つの出口ポートのうちの１つを交互に覆い、それにより交互排出を提供するように配置される。一例では、交互排出配置は、少なくとも１つのタイマー動作式バルブを含む。

一例では、エネルギー変換システムは分離器をさらに含み、分離器は、ダウンカマーから第２の液体を受け入れ、微細に分割された材料から第１の液体を分離し、第１の液体をライザー導管に排出し、第２の液体を再循環器に排出するように配置される。一例では、分離器は分離タンクを含む。一例では、分離タンクは、高さが低くなるにつれて減少する面積を有しているので、分離タンク内の流速は、懸濁液から微細に分割された材料を除去するようにタンク内の高さが高くなるにつれて低下し、分離タンクは、ライザー導管に排出するように配置された上部出口をさらに含む。一例として、分離タンクは、円錐形の本体を含む。

一例では、分離器は、分離容器をさらに含み、分離容器は、上部出口から流体を受け入れ、流体から微細に分割された材料を分離し、第１の液体をライザー導管に排出し、ダウンパイプを介して液体を分離タンクに戻すように動作可能である。一例では、微細に分割された材料は磁性体であり、分離容器は分離ドラムを含む。一例では、分離ドラムに引き付けられた微細に分割された材料が第１の液体から分離されるように、分離ドラムは回転可能である。一例では、分離容器は、分離ドラム内に永久磁石をさらに含む。一例では、ドラム磁石は、ドラムの円弧の約１３０～１５０°、例えば１４０°にわたって延びている。一例では、分離容器は、微細に分割された材料を分離ドラムから除去し、微細に分割された材料を戻り管に向けて導くワイパを含む。一例では、分離容器は圧力容器であり、分離容器内の流体レベルは、分離容器内の空気の流入および排出を制御することにより制御可能である。一例では、再循環器は、分離タンクから第３の液体を受け入れ、第１のタンクおよび第２のタンクからの第１の液体と混合するために第３の液体を排出する再循環カラムを含む。一例では、再循環カラムは、分離タンクの下部出口から第３の液体を受け入れるように配置される。

一例では、再循環カラムは、プロペラポンプを含む。一例では、プロペラポンプは、耐摩耗性材料でライニングされている。一例では、プロペラポンプは、エアロックされたシュラウドによって保護されたシャフトを含む。一例では、再循環器は、プロペラポンプを駆動するために使用時に配置される油圧モータを含む。一例では、再循環器は、第３の液体を再循環させるように動作可能な流体置換力ポンプを含む。

一例では、変換装置はタービンを含み、仕事の出力は運動エネルギーを含む。一例では、変換装置は油圧式空気圧縮機を含み、油圧式空気圧縮機は、使用時に空気を受け入れて圧縮するように配置され、仕事の出力は空気の圧縮である。

本発明の第２の態様によれば、エネルギーを変換する方法であって、第１の液体を含むライザー導管を提供するステップと、第２の液体を含むダウンカマーを提供するステップであって、ダウンカマーは、ライザー導管と流体連通しており、第２の液体は、第１の液体と、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように懸濁している微細に分割された材料とを含み、ダウンカマーは、第１のタンクおよび第２のタンクと流体連通している、ステップと、第１の液体の位置エネルギーを仕事の出力に変換して、第１の液体を排出するステップと、微細に分割された材料の懸濁状態を維持するために第３の液体を再循環させるステップであって、第３の液体は、第２の液体と、第３の液体が第２の液体よりも高い比重を有するように懸濁しているさらなる微細に分割された材料とを含み、第３の液体を排出し、変換装置からの第１の液体と混合して第２の液体を形成する、ステップと、第１の液体および第３の液体を第１のタンクおよび第２のタンクに受け入れるステップと、第１および第２のタンク（１６、１５）の各々内の液体の高さを所定の閾値以下に維持するために、第１のタンクおよび第２のタンクへの第１の液体の供給を規制するステップと、を含む方法が提供される。

本発明によれば、添付の請求項に記載された装置および方法が提供される。本発明の他の特徴は、従属請求項、および以下の説明から明らかになるであろう。

本発明のより良い理解のために、例示として、添付の図面を参照する。

図１は、第１の例示的な実施形態による、エネルギー変換システムの概略図である。 図１Ａは、第２の例示的な実施形態による、エネルギー変換システムの概略図である。 図１Ｂは、第３の例示的な実施形態による、エネルギー変換システムの概略図である。 図１Ｃは、図１Ｂのエネルギー変換システムで使用される、流体置換力ポンプの概略図である。 図２は、分離容器の断面図である。 図３は、プロペラポンプの断面図である。 図４は、ダイバータバルブの断面側面図である。 図４Ａは、図４のダイバータバルブの平面図である。 図５は、第４の例示的な実施形態による、エネルギー変換システムの概略図である。 図６は、本明細書に記載されているエネルギー変換システムを使用して実行され得るような、エネルギーを変換する方法を示すフロー図である。

図１を参照すると、第１の例示的な実施形態による、例示的なエネルギー変換システム１が示されている。エネルギー変換システム１は、ライザー導管２０を備える。ライザー導管２０は、第１の液体を含む。エネルギー変換システム１は、ダウンカマー１９をさらに備える。ダウンカマー１９は、第２の液体を含む。第２の液体は、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように、微細に分割された材料が懸濁した第１の液体からなる。この例では、第１の液体は水であり、細分化された材料はフェロシリコンである。細分化された材料は、好適には、細分化された材料の１００％が０．２ｍｍのメッシュを通過するような粒径である。ダウンカマー１９およびライザー導管２０は、その下部と上部との間に垂直方向の分離を提供するために上方に延びていて、それにより、重力による圧力差がその下部と上部との間の流体に生じる。

エネルギー変換システム１は、第１のタンク１６および第２のタンク１６Ａを備える。第１のタンク１６および第２のタンク１６Ａは、第１および第２のタンク１６、１６Ａの内容物がその下部から排水され、その後ダウンカマー１９に入るように、ダウンカマー１９と流体連通して配置される。ダウンカマー１９は、分離タンク２２からなる分離器を介してライザー導管２０と流体連通している。

タービン２４は、ライザー導管２０を通って流れる流体を受け入れるように配置される。タービンは、第１の液体のエネルギーを、エネルギー変換システム１から出力するためのエネルギーに変換する変換装置として機能する。図１の実施形態では、タービンは、エネルギー変換システムを第１の液体でプライミングし、エネルギー変換動作中にライザー導管２０に第１の液体が十分に供給されることを保証し、第１の液体の循環経路を大気圧に開放するのに有用なヘッダータンク２１の下方に配置される。

タービン２４から排出された第１の液体は、タービン２４から第１のタンク１６および第２のタンク１６Ａへの流れを調整するように配置された交互排出配置１４に送られる。第１のタンクおよび第２のタンクにおける第１の液体の高さを調節することの重要性は、以下でさらに説明される。

ダウンカマー１９は、例えば、分離タンク２２の頂部と底部との中間点付近のレベルで、分離タンク２２に排出される。分離タンクの上部領域では、分離タンク２２からの出口がライザー導管２０に排出される。分離タンク２２は、高さが低くなるにつれて、概ね円錐状に減少する面積を有する。分離タンク２２は、その上部に加圧された流体、例えば、圧縮空気または、分離タンク２２の内容物の望ましくない酸化につながらない窒素などの圧縮された不活性ガスを加えることができるレギュレータ１２を備える。実際、空気や窒素などの加圧ガスの代わりに、第３の液体と一般的に非混和性である液体を使用してもよい。このように分離タンク２２を加圧することで、第３の液体の再循環を助けることができる。

エネルギー変換システム１は、再循環カラム１８を含む再循環器を備える。再循環カラム１８は、分離タンク２２から第３の液体を受け入れるように配置される。再循環カラム１８は、ポンプ入口２６を介して分離タンク２２の下部から第３の液体を受け入れるように配置される。第３の液体は、第２の液体と、第３の液体が第２の液体よりも高い比重を有するように、懸濁した微細に分割されたさらなる材料とからなる。再循環カラム１８は、第１の液体と混合する流体をライザー導管２１から排出するように配置される。より具体的には、再循環カラム１８は、第１のタンク１６および／または第２のタンク１６Ａで第１の液体と混合するように第３の液体を排出し、それによりダウンカマー１９において第２の液体を形成する。

再循環器は、再循環カラム１８内の第３の液体を上昇させるために、ポンプ１７をさらに備える。ポンプ１７は、好適には、図１Ｂおよび図１Ｃに関して以下で詳細に説明する流体置換力ポンプ、図３に関して以下で詳細に説明するプロペラポンプ、または他の好適なスラリーポンプ構成からなり得る。

エネルギー変換システムの動作において、第２の液体および第３の液体が第１の液体よりも高い比重であることは、ライザー導管２０内の第１の液体の高さが、ダウンカマー１９内の第２の液体および再循環カラム１８内の第３の液体の高さよりも大きいことを意味する。したがって、タービン２４は、第１の液体の位置エネルギーを、運動エネルギーとして出力される仕事に変換する。

再循環器は、第３の液体を再循環させ、微細に分割された材料を懸濁状態に維持する。再循環器は、分離タンク２２内で流体が分離する際に密度の高い物質が移動する分離タンク２２の下部から、ポンプ入口２６を介して第３の液体を受け入れる。ポンプ１７は、第３の液体を、第１のタンク１６および第２のタンク１６Ａと流体連通している再循環カラム１８の上に引き上げる。分離タンク２２の上部への加圧流体の供給は、分離タンク２２内の一貫したベース圧力を維持するのに役立ち、ポンプ１７の需要を低減する。ポンプ１７の需要をさらに減らすために、第１および第２のタンク１６、１６Ａの流体レベルの上に大まかな真空を適用することができる。分離タンク２２に適用される圧力の量および第１および第２のタンク１６、１６Ａに適用される真空の量は、設計動作流量で発生する摩擦損失およびエネルギー変換システムの頂部と底部との間のヘッド差を考慮して、エネルギー変換システムの流量パラメータおよび全体的な寸法に応じて選択することができる。理解されるように、動作中の圧力／真空の監視は、センサ（図示せず）を使用して実行することができ、時間の経過とともにシステムにおいて発生するあらゆる損失を考慮して適切な調整を行うことができる。

タービン２４から第１および第２のタンク１６、１６Ａへの第１の液体の供給は、第１および第２のタンク１６、１６Ａの各々における液体の高さを所定の閾値以下に維持するために調節される。これにより、ライザー導管２１内の第１の液体の高さが制御され、その結果、タービン２４を駆動するために利用可能な水頭が維持される。

第１の液体の供給の調節は、タービン２４からの排出を第１および第２のタンク１６、１６Ａ間で交互に行う交互排出配置によって行われる。排出を交互に行うことは、図４に関して以下でより詳細に説明するダイバータバルブによって便利に実現できる。エネルギー変換システム１の動作中、流体は、第１および第２のタンク１６、１６Ａの一方が第１の液体で満たされる一方、他方が空になるように、第１および第２のタンク１６、１６Ａの一方に流入する。このようにして、第１の流体と第３の流体との混合をより容易に制御することができ、エネルギー変換システムの動作を継続するのに適した密度を有する第２の流体の流れをダウンカマー１９内に生成することができる。

分離タンク２２は、ダウンカマー１９から第２の液体を受け入れる。分離タンク２２は、微細に分割された材料から第１の液体を分離し、第１の液体をライザー導管２０に、第３の液体を再循環器カラム１８に排出する。分離タンク２２は、高さが低くなるにつれて減少する面積を有しているので、微細に分割された材料を懸濁液から除去するために、分離タンク２２内の高さが高くなるにつれてタンク内の流速が低下する。つまり、分離タンク２２内で分離が行われ、分離タンク２２の上部は第１の液体で構成され、分離タンク２２の下部は第３の液体で構成される。その上部に位置する分離タンク２２の出口は、ライザー導管２０に排出され、その下部に位置する分離タンク２２の下部出口は、再循環カラム１８に排出される。分離タンク２２は、エネルギー変換システム１を初期化または停止する際に使用できるドレインバルブ２３を備える。

図１Ａは、第２の例示的な実施形態による、エネルギー変換システム１０の概略図である。図１Ａでは、分離タンク２２がマニホールドとして機能し、ライザー導管２０用の第１の液体と再循環器用の第３の液体とを生成するための第２の液体の分離が分離器８で行われる。図２および以下の関連する説明は、分離器８の動作の追加の詳細を与える。

分離器８は、分離タンク２２の上部付近に配置された分離器インフィード２９を介して分離タンク２２を出る流体中に残っている微細に分割された材料を除去するための、分離容器３２を備える。分離器８は、分離容器３２からタービン２４につながるタービン供給管と、分離容器３２から分離タンク２２につながる媒体戻り管２７とをさらに備える。

分離容器３２は、分離タンク２２の上部から、分離器インフィード２９を介して流体を受け入れる。分離容器３２は、分離器インフィード２９を介して受け入れた流体から微細に分割された材料を除去するように動作する。分離容器３２は、タービン２４を介してライザー導管２０に第１の液体を排出し、微細に分割された材料の濃度が高い流体を、媒体戻り管２７を介して分離タンク２２に戻す。

図２を参照すると、分離容器３２が示される。分離容器３２は円筒形であり、その軸が水平になるように配置される。分離容器３２は、分離容器３２内に配置された分離ドラム３４を備える。分離ドラム３２は円筒形であり、その軸が水平になるように配置される。分離ドラム３４の軸は、分離容器３２の軸と非同心である。分離容器３２は密閉され、その上部に加圧された流体を加えたり、取り除いたりできる圧力調整器３８を有する。例えば、圧縮空気または、窒素などの圧縮不活性ガスを使用して、分離容器３２内の流体のレベルを、図２にタービン参照番号２４に向かう矢印で示されたタービン供給管のレベルよりも上にある分離ドラム３２の軸のレベル付近に維持することができる。空気または窒素などの加圧ガスの代わりに、第３の液体と一般的に非混和性である液体を使用してもよい。

流体レベルインジケータ３５は、ビューイングポート３９を通して検査した後の正しい流体レベルの決定を助けるために設けられ、分離容器３２内の流体レベルの必要な調節を容易にする。

分離ドラム３４は、強磁性材料で形成され、その中に配置された永久磁石３６を備える。永久磁石３６は、分離ドラム３４の円弧の約１４０°にわたって延びている。永久磁石は、分離ドラム３４の回転に関わらず、分離ドラム３４の下部に作用するように、固定して配置される。

分離容器３２は、分離器インフィード２９から流体を受け入れるように配置された入口３７を備える。分離容器３２は、ワイパ３１を備える。ワイパ３１は、分離ドラム３４と接触するようにバイアスされている。ワイパ３１は、入口３７に対して分離ドラム３４の反対側に配置されたバリア３０に隣接し、分離ドラム３４に接触するようにバイアスされている。

分離容器３２は、ワイパ３１と分離ドラム３４との接触点の下方に配置され、媒体戻り管２７に供給する第１のドラム出口を備える。バリア３０は、サーボ制御されたスプリッタプレート４１と協働して、微細に分割された材料を第１のドラム出口に向かって誘導する。分離容器３２は、ワイパ３１およびバリア３０の対向側であって、ドラム入口３７と同じ側に配置された第２のドラム出口を備える。第２のドラム出口は、ライザー導管２１と流体連通するタービン供給管を備える。分離ドラム３４と第２のドラム出口との間には、第２バリア３０Ａが設けられる。

使用時に、分離容器３２内の流体レベル４３は、バリア３０、３０Ａによって到達するレベルよりも低い。分離容器３２内の流体レベル４３は、分離ドラム３４の半分が水没するようなレベルである。

分離ドラム３４は、図２において反時計回りの方向に、回転する。永久磁石３６は、分離ドラムと共に回転せず、そのため、微細に分割された材料が、分離ドラム３４の外周面に位置する永久磁石３６に引き付けられる磁気領域を生成する。微細に分割された材料は、微細に分割された材料が磁気領域を離れるまで、分離ドラム３４と共に移動する。この時点で、微細に分割された材料は、重力の下で分離ドラム３４の表面から落下する。磁気領域の端は第１のドラム出口の上に位置するので、微細に分割された材料は第１のドラム出口に落ちる。バリア３０は、このプロセスを助ける。バリア３０、３０Ａよりも半径方向に遠くに位置する第１の液体は、分離容器２２内の圧力の作用の下で、第２のドラム出口を通って分離容器３２を出る。

細分化された材料が磁気領域を離れた後でも、少量の残留した細分化材料が分離ドラム３４の外表面に残っている可能性のあることが理解されるであろう。ワイパ３１は、そのような残留した細分化材料を分離ドラム３４の表面から除去する。残留した細分化材料はまた、第１のドラム出口に落ちる。微細に分割された材料の排出は、動作中に適切なサーボ調整が行われる、スプリッタプレート４１の位置によってさらに助けられる。

代替の分離容器は、例えば、圧力、流体の処理量、フットプリント、流体および微細に分割された材料の組成、分離効力などのシステム設計パラメータに適した代替の幾何学的および他の特徴を含む。例えば、分離ドラムを垂直軸に配置し、磁石、入口／出口、ワイパなどの位置および配置を適切に変更してよい。

図１Ｂは、第３の例示的な実施形態による、エネルギー変換システム１００の概略図である。図１Ｂでは、分離容器３２は、ダウンカマー１９における第２の液体の下降経路に配置される。ダウンカマー１９は、分離タンク２２に供給する第１の脚部１９Ａと、分離容器３２に供給する第２の脚部１９Ｂとを備える。本実施形態では、分離はすべて分離容器３２で行われ、分離タンクは純粋にマニホールドとして機能する。ダウンカマー１９の第１および第２の脚部１９Ａ、１９Ｂにおける第２の液体の流れは、バルブ１９Ｃ、１９Ｄによって調整される。図１Ｂでは、ポンプ１７の機能は、空気圧縮機９７と、空気タンク９５と、第１および第２のポンプタンク１０３、１０４と、関連する制御弁９０、９１、９２、９３および非還流弁２８とによって提供される。制御弁９０、９１、９２、９３の適切な開閉により、空気タンク９５に蓄積され、空気パイプ９４、９４Ａを介して送られるポンプ９７の空気圧形態に応じて、再循環器１８のための第３の液体の一定の出力が提供される。すなわち、制御弁９０、９１、９２、９３の開閉に応じて、第１および第２のポンプタンク１０３、１０４の上部の空域に交互に圧力を加えることによってである。直接空気作動ポンプ回路の動作サイクルは、図１Ｃの流体置換ポンプの以下の説明から明らかになるであろう。理解されるように、空気の代わりに、窒素などの不活性ガスを用いてもよい。

図１Ｃを参照すると、図１のプロペラポンプ１７または図１Ｂの直接空気作動ポンプ回路の代わりに、エネルギー変換システム１０の再循環器カラム１８内で使用される流体置換力ポンプ１７Ａが示される。流体置換力ポンプ１７Ａのいくつかの特徴は、明確にするために図１Ｂから省略される。流体置換力ポンプ１７Ａは、以下に説明する方法で動作し、第３の液体を再循環させるために他のタイプのポンプを使用する場合に、図１、図１Ａまたは図１Ｂのエネルギー変換システム１、１０、１００が、図１に関して説明したものと同じ方法で機能することを可能にする。

流体置換力ポンプ１７Ａは、第１のポンプタンク１０３と第２のポンプタンク１０４とを備える。第１のポンプタンク１０３は、第１の媒体室７０を備える。第２のポンプタンク１０４は、第２の媒体室７１を備える。

第１の媒体室７０は、第１の逆止弁２８を介して分離タンク２２と流体連通している。第１の逆止弁２８は、分離タンク２２の下部から第１の媒体室７０への流体の流入を許容するが、第１の媒体室７０から逆方向への戻りを許容しない。第１の媒体室７０は、再循環器カラム１８の一部として第１のポンプタンク１０３から上方へ延びる第１の再循環器ブランチ１８Ａと流体連通している。第１の媒体室７０内の第３の液体には、「Ｍ」のラベルが付けられている。

第２の媒体室７１は、第２の逆止弁２８を介して分離タンク２２と流体連通している。第２の逆止弁２８は、第２の媒体室７１への流体の流入を許容するが、第２の媒体室７１から逆方向への戻りを許容しない。第２の媒体室７１は、再循環器カラム１８の一部として第２のポンプタンクから上方へ延びる第２の再循環器ブランチ１８Ｂと流体連通している。第２の媒体室７１内の第３の液体には、「Ｍ」のラベルが付けられている。

第１のポンプタンク１０３は、第１のサドルタンク７７Ａを備える。第１のサドルタンク７７Ａの上部は、コネクタチューブ７２を介して第１の媒体室７０と流体連通している。

第２のポンプタンク１０４は、第２のサドルタンク７７Ｂを備える。第２のサドルタンク７７Ｂの上部は、コネクタチューブ７２を介して第２の媒体室７１と流体連通している。

流体置換力ポンプ１７Ａは、圧力容器７５内に配置された水中ポンプ７６を備える。水中ポンプ７６の一側は、ダイバータバルブ７４の第１の半部と流体連通していて、他方は、ダイバータバルブ７４の第２の半部と流体連通している。使用時に、水中ポンプ７６は、ダイバータバルブ７４の第２の半部から水を引き、ダイバータバルブ７４の第１の半部に水を渡すように動作する。水は、第１および第２のサドルタンク７７Ａ、７７Ｂと、ダイバータバルブ７４の第１および第２の半部１／２、２／２とに、「Ｗ」のラベルが付けられている。

ダイバータバルブ７４の第１および第２の半部は、各々、第１のサドルタンク７７Ａと流体連通するポートを備える。また、ダイバータバルブ７４の第１および第２の半部は、各々、第２のサドルタンク７７Ｂと流体連通するポートを備える。

サドルタンク７７Ａ、７７Ｂは、その底部に水を含み、水の上には空気を有する。媒体タンク７０、７１は、その底部に第３の液体を含み、第３の液体の上に空気を有する。空気は、「Ａ」のラベルが付けられている。空気は、コネクタチューブ７２にも存在する。理解されるように、空気の代わりに、窒素などの不活性ガスを使用してもよい。実際、空気や窒素などの加圧ガスの代わりに、第３の液体と一般的に非混和性である液体を使用してもよい。

力ポンプ１７Ａの動作中のいかなる時点においても、サドルタンク７７Ａ、７７Ｂと媒体タンク７０、７１との間に第３の液体または水は流れず、代わりに、サドルタンク７７Ａ、７７Ｂへの水の出入りの動きにより、第３の液体の上方の空気圧が第１および第２の再循環器ブランチ１８Ａ、１８Ｂから第３の液体を交互に押し出し、それに対応して、媒体タンク７０、７１と分離タンク２２との間の圧力差が、第３の液体が再循環器カラム１８に送られているのとは反対側の媒体タンク７０、７１に第３の液体を引き込む。この汲み上げ動作は、駆動装置７３を用いてダイバータバルブ７４の構成を変更することで制御される。

流体置換ポンプ１７Ａの動作サイクルの第１の段階では、ダイバータバルブは第１の状態にある。第１の状態では、水が第２のサドルタンク７７Ｂから流出して、ダイバータバルブ７４の第２の半部に流入し、圧力容器７５を介して水中ポンプ７６の吸引側に戻されるように、ダイバータバルブ７４の第２の半部が配置される。ダイバータバルブ７４の第２の半部と第１のサドルタンク７７Ａとの接続は閉じられている。

流体置換ポンプ１７Ａの動作サイクルの第１の段階と同時に、ダイバータバルブ７４の第１の半部は、水中ポンプ７６の吸込側を介して圧力容器７５から水を受け入れる。ダイバータバルブ７４の第１の半部は、第２のサドルタンク７７Ｂに対しては閉じているが、第１のサドルタンク７７Ａに対しては、第１のサドルタンク７７Ａ内の水のレベルが上昇して、空気を第１の媒体タンク７０に押し込み、したがって、第３の液体を第１の媒体タンク７０から第１の再循環器ブランチ１８Ａの上に変位させるように開いている。図１Ｂの構成に示し、上述したように、第１の媒体室７０と分離タンク２２との間の逆止弁２８は、流体置換ポンプ１７Ａが動作する際に、第３の液体が分離タンク２２に直接戻る流れを防止する。動作はこのようにして、第２のサドルタンク７７Ｂ内の水が汲み出されるのに伴って、第２の媒体タンク７１内の第３の媒体の上方の空間がコネクタチューブ７２を通して空気を空にすることにより、第２の媒体タンク７１内の減圧によって分離タンク２２から第２の媒体タンク７１内に吸い込まれて、第２の媒体タンク７１内の第３の液体が最大レベルに達するまで続く。ここでも、図１Ｂの構成に示すように、第３の液体が再循環器ブランチ１８Ｂを逆流するのではなく、分離タンク２２から第２の媒体タンク７１に引き込まれるように、再循環器ブランチ１８Ｂには逆止弁２８が設けられている。

続いて、流体置換ポンプ１７Ａの動作サイクルの第２の段階では、駆動部７３の制御下で、ダイバータバルブ７４は第２の状態に切り替わる。第２の状態では、第１の状態で閉じていたダイバータバルブ７４の第１の半部のポートが開き、ダイバータバルブ７４の第１の半部の開いていたポートが閉じる。同様に、第２の状態では、第１の状態で開いていたダイバータバルブの第２の半部のポートが閉じ、ダイバータバルブ７４の第２の半部の閉じていたポートが開く。

すなわち、流体置換ポンプの動作サイクルの第２の段階では、第１のサドルタンク７７Ａから水が流出して、ダイバータバルブ７４の第２の半部に流入し、圧力容器７５を介して水中ポンプ７６の吸込側に戻されるように、ダイバータバルブ７４の第２の半部は配置される。ダイバータバルブ７４の第２の半部と第２のサドルタンク７７Ｂとの接続は閉じられる。

流体置換ポンプ１７Ａの動作サイクルの第２の段階と同時に、ダイバータバルブ７４の第１の半部は、水中ポンプ７６の吸込側を介して圧力容器７５から水を受け入れる。ダイバータバルブ７４の第１の半部は、第１のサドルタンク７７Ａに対しては閉じているが、第２のサドルタンク７７Ｂに対しては、第２のサドルタンク７７Ｂ内の水のレベルが上昇し、空気を第２の媒体タンク７１に押し込み、したがって、第３の液体を第２の媒体室７１から第２の再循環器ブランチ１８Ｂの上に変位させるように開いている。第２の媒体室７１と分離タンク２２との間の逆止弁２８は、第３の液体が分離タンク２２に直接戻るのを防ぐ。これは、第１のサドルタンク７７Ａ内の水が汲み出されるのに伴って、第１の媒体タンク７０内の第３の媒体の上方の空間がコネクタチューブ７２を通して空気を空にすることにより、第１の媒体タンク７０内の減圧によって分離タンク２２から第１の媒体タンク７０内に引き込まれて、第１の媒体タンク７０内の第３の液体が最大レベルに達するまで続く。第３の液体が再循環器ブランチ１８Ａを逆流するのではなく、分離タンク２２から第１の媒体タンク７０に引き込まれるように、再循環器ブランチ１８Ａには逆止弁２８が設けられている。

このように、第３の液体は、第３の液体の研磨性媒体がポンプの作動部品、ベアリング、シールなどに遭遇することなく、分離タンク２２からライザー導管１８に常にポンプで送られる。これにより、ポンプの摩耗を減らし、ポンプの寿命を延ばす。

図３を参照すると、プロペラポンプ１７が示されている。プロペラポンプ１７は、再循環器カラム１８内に配置される。プロペラポンプは、シャフト５７に連結されたブレード５８を備える。シャフト５７は、油圧モータ５３に直接連結されている。

プロペラポンプ１７は、合成ゴム、半合成ゴム、天然ゴムなどの耐摩耗性材料でライニングされている。シャフト５７の一部は、エアロック式のシュラウド５９内に配置されている。油圧モータ５３は、エアロック式のシュラウド５９内に配置されている。

使用時に、プロペラポンプ１７は、油圧モータ５３によって駆動され、第３の液体を再循環させる。耐摩耗性材料は、懸濁液中の微細に分割された材料からの損傷からプロペラポンプ１７を保護する。エアロック式のシュラウド５９は、シャフト５７の一部、油圧モータ５３、その内部に配置されたシール（図示せず）およびベアリング（図示せず）をさらに保護する。

図４および図４Ａを参照すると、ダイバータ７４の第１および第２の半部として、および交互排出配置１４として使用され得るダイバータバルブが示されている。ダイバータバルブは、モータ（図示せず）に接続されるシャフト１４０と、シャフト用のベアリングおよびシール１４２、１４３を支持するベアリングハウジング１４１とを備える。ブッシュ１４６は、ベアリング１４２と協働して、シャフト１４０をダイバータバルブのチャンバ１４４に回転可能に取り付ける。チャンバ１４４は、検査やメンテナンスのためのアクセスを容易にするために、取り外し可能な蓋を備える。アーム１４５は、プレート１５０を支持するためにシャフト１４０に取り付けられる。ダイバータバルブは、入口ポート１４７と、第１および第２の出口ポート１４８、１４９とをさらに備える。

使用時に、モータがシャフトを連続的に回転することで、プレート１５０を回転させ、２つの出口ポート１４８、１４９のうちの一方を交互に覆う。これにより、プレート１５０の回転により、一方の出口ポートが覆われるのと同じ割合で他方の出口ポートが覆われないため、入口ポート１４７を通してダイバータバルブに流入した流体は、一定のスループットで出口ポート１４８、１４９から流出する。

図５は、第４の例示的な実施形態による、エネルギー変換システム１０００の概略図である。エネルギー変換システム１０００は、図１、図１Ａ、図１Ｂのエネルギー変換システム１、１０、１００、特に図１Ａのそれと概ね同様の特徴を備える。しかしながら、エネルギー変換システム１０００では、変換装置は、第１の液体のエネルギーを、タービンでの運動エネルギーではなく、圧縮された大気の位置エネルギーに変換する。理解されるように、空気の代わりに、任意の圧縮可能なガスが使用されてもよい。

エネルギー変換システム１０００は、油圧式空気圧縮機を備える。空気圧縮機は、分離容器３２を介して分離タンク２２に接続する第２のライザー１２６を備える。第２のライザー１３０は、空気巻き込み容器（ａｉｒ ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ ｖｅｓｓｅｌ）１２１と流体連通しているヘッダータンク１２０まで上方へ延びている。空気巻き込み容器１２１は、小径のチューブを含む。

空気圧縮システムは、空気巻き込み容器１２１から圧縮空気分離器１２３につながるダウンカラム１２２をさらに備える。圧縮空気分離器１２３は、ライザー２０に接続している。

使用時に、第１の液体は、分離容器３２から第２のライザー１３０を上ってヘッダータンク１２０に流入する。第１の液体は、ヘッダータンク１２０から空気巻き込み容器１２１に流れる。空気圧縮容器１２１の小径管により、第１の液体がダウンカラム１２２を流れる際に、大気中の空気が第１の液体に巻き込まれる。

空気を巻き込んだ第１の液体は、ダウンカラム１２２を流下して、圧縮空気分離器１２３に流入する。巻き込まれた空気は、空気分離器１２３で第１の液体から分離し、ダウンカラム１２２内の第１の液体の高さにより、圧力が維持される。ダウンカラム１２２から排出された第１の液体は、流れを偏向させるフローデフレクタ１２４に衝突し、巻き込まれた空気の第１の液体からの分離を助ける乱流を引き起こす。図５の実施形態では、流れの偏向器は、圧縮空気分離器１２３の底部にある円錐形の突起を備える。圧縮空気は、バルブ１２５で圧縮空気分離器１２３から取り出されることができ、その位置エネルギーは多くの用途に使用され得る。

第１の液体は、ライザー２０を介して圧縮空気分離器１２３から出て、交互排出配置１４に逆流する。

この例のエネルギー変換システムでは、仕事の出力のすべてが空気の圧縮の形で提供されてよく、タービンは存在しない。図６に示されるタイプの空気圧縮システムが、タービンの代わりに、またはタービンと一緒に、説明されたエネルギー変換システムのいずれかにおいて使用されてよいことが理解されるであろう。

図６を参照すると、エネルギーを変換する方法のフロー図が示されている。本方法の第１のステップ２０１では、第１の液体を含むライザー導管が提供される。

本方法の第２のステップ２０２では、第２の液体を含むダウンカマーが提供される。ダウンカマーは、ライザー導管と流体連通し、第２の液体は、第１の液体と、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように懸濁している微細に分割された材料とを含む。

本方法の第３のステップ２０３では、微細に分割された材料を懸濁状態に維持するために、第３の液体が再循環される。第３の液体は、第２の液体と、第３の液体が第２の液体よりも高い比重を有するように懸濁しているさらに微細に分割された材料とを含む。第３の液体は、ライザー導管からの第１の液体と混合され、ダウンカマー内で第２の液体を形成する。

本方法の第４ステップ２０４では、第１のカラム内の第１の液体の位置エネルギーが仕事の出力に変換される。

本方法の第５ステップ２０５では、第２の液体を生成するために、第１および第２のタンクからの排出にしたがって第１の液体と第３の液体との混合が行われるように、第１および第２のタンクの各々における液体の高さを所定の閾値以下に維持するために、第１および第２のタンクへの第１の液体の排出が調整される。第１および第２のタンクへの第１の液体の排出を調整することは、ライザー導管２１からの交互の排出によって実行される。

上述した方法は、上述したエネルギー変換システムを用いて採用することができ、方法ステップ２０１～２０５のいくつかは、図７に示されたものとは異なる順序で、または同時に実施されてもよいことが理解されるであろう。

いくつかの好ましい実施形態を示し、説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および修正を行うことができることが当業者には理解されるであろう。

本願に関連して本明細書と同時に、または本明細書の前に提出され、本明細書と共に公開されているすべての書類および文書に注意を払い、そのようなすべての書類および文書の内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示されたすべての特徴、および／または、そのように開示された任意の方法またはプロセスのすべてのステップは、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除き、任意の組み合わせで組み合わせることができる。

本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示されている各特徴は、明示的に別段の記載がない限り、同じ目的、同等の目的、または類似の目的を果たす代替の特徴で置き換えることができる。したがって、明示的に別段の記載がない限り、開示された各特徴は、同等または類似の特徴の一般的なシリーズの一例に過ぎない。

本発明は、上述の実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示された特徴の任意の新規の１つまたは任意の新規の組み合わせ、あるいは、そのように開示された任意の方法またはプロセスのステップの任意の新規の１つまたは任意の新規の組み合わせにも及ぶ。

Claims (24)

1. エネルギー変換システムであって、
   第１の液体を含むライザー導管（２０）と、
   第２の液体を含むダウンカマー（１９）であって、ダウンカマー（１９）は、ライザー導管（２０）と流体連通しており、第２の液体は、第１の液体と、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように懸濁している微細に分割された材料とを含み、ダウンカマー（１９）は、第１のタンク（１６）および第２のタンク（１６Ａ）と流体連通している、ダウンカマー（１９）と、
   第１の液体のエネルギーを、エネルギー変換システムから出力するためのエネルギーに変換し、その後、第１の液体を排出するように配置された変換装置（２４）と、
   微細に分割された材料の懸濁状態を維持するために第３の液体を再循環させるように配置された再循環器（１７、１８）であって、第３の液体は、第２の液体と、第３の液体が第２の液体よりも高い比重を有するように懸濁しているさらなる微細に分割された材料とを含み、再循環器（１７、１８）は、第３の液体を排出し、変換装置（２４）からの第１の液体と混合して第２の液体を形成するように配置された、再循環器（１７、１８）と、を含み、
   第１のタンク（１６）および第２のタンク（１６Ａ）は、変換装置（２４）とダウンカマー（１９）との間に配置され、変換装置（２４）から排出された第１の液体を受け入れ、第１の液体をダウンカマー（１９）に供給し、
   第１および第２のタンク（１６、１６Ａ）内の液体の高さを所定の閾値以下に維持するために、第１および第２のタンク（１６、１６Ａ）への第１の液体の供給は、使用時に規制される、
   エネルギー変換システム。
2. 第１の液体の供給の規制は、使用時に第１および第２のタンク（１６、１５）の間で排出を交互に行う交互排出配置（１４）によって行われる、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
3. 交互排出配置（１４）は、単一の入口ポートおよび２つの出口ポートを有するダイバータバルブを備える、請求項２に記載のエネルギー変換システム。
4. ダイバータバルブは可動式プレートを備え、可動式プレートは、プレートが２つの出口ポートのうちの１つを交互に覆い、それにより交互排出を提供するようなプレートの動きをするように配置される、請求項３に記載のエネルギー変換システム。
5. 分離器（８）をさらに含み、分離器（８）は、ダウンカマー（１９）から第２の液体を受け入れ、微細に分割された材料から第１の液体を分離し、第１の液体をライザー導管（２０）に排出し、第３の液体を再循環器（１７、１８）に排出するように配置される、請求項１～３のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
6. 分離器（８）は分離タンク（２２）を備える、請求項５に記載のエネルギー変換システム。
7. 分離タンク（２２）は、高さが低くなるにつれて減少する面積を有しているので、分離タンク（２２）内の流速は、懸濁液から微細に分割された材料を除去するようにタンク内の高さが高くなるにつれて低下し、分離タンク（２２）は、ライザー導管（２０）に排出するように配置された上部出口をさらに備える、請求項６に記載のエネルギー変換システム。
8. 分離タンク（２２）は、概ね円錐形の本体を備える、請求項７に記載のエネルギー変換システム。
9. 分離器（８）は、分離容器（３２）をさらに備え、分離容器（３２）は、第２または第３の液体を受け入れ、受け入れた第２または第３の液体から微細に分割された材料を分離し、第１の液体をライザー導管（２０）に排出し、戻り管（２７）を介して液体を分離タンク（２２）に戻すように配置される、請求項６～８のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
10. 分離容器（３２）は、回転可能な分離ドラム（３４）と磁石（３６）とを備え、磁石（３６）は、微細に分割された材料が分離ドラム上に位置するように微細に分割された材料を引き付けるように配置され、分離ドラムは、微細に分割された材料を第１の液体から分離するために回転する、請求項９に記載のエネルギー変換システム。
11. 磁石（３６）は、分離ドラム（３４）内に位置する永久磁石であり、磁石（３６）は、微細に分割された材料が分離ドラム（３４）上に位置するように微細に分割された材料を引き付ける磁気領域を生成し、分離ドラムの回転により、分離ドラム上に位置する微細に分割された材料は、磁気領域を離れ、分離ドラムから戻り管（２７）に向かって落下する、請求項１０に記載のエネルギー変換システム。
12. 永久磁石（３６）は、分離ドラム（３４）の円弧の約１４０°にわたって延びている、請求項１１に記載のエネルギー変換システム。
13. 分離容器（３２）は、分離ドラム（３４）から微細に分割された材料を除去し、微細に分割された材料を戻り管（２７）に向けて導くワイパ（３１）を備える、請求項９～１２のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
14. 分離容器（３２）は圧力容器であり、分離容器（３２）内の流体レベルは、分離容器（３２）内の気体の流入および排出を制御することにより制御可能である、請求項９～１３のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
15. 再循環器（８）は、分離タンク（２２）から第３の液体を受け入れ、第１のタンク（１６）および第２のタンク（１５）からの第１の流体と混合するために第３の液体を排出する再循環カラム（１８）を備える、請求項６～１４のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
16. 再循環カラム（１８）は、分離タンク（２２）の下部出口から第３の液体を受け入れるように配置される、請求項２０に記載のエネルギー変換システム。
17. 再循環器（１７、１８）はプロペラポンプ（１７）を備える、請求項１～１６のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
18. プロペラポンプ（１７）は、耐摩耗性材料でライニングされている、請求項１７に記載のエネルギー変換システム。
19. プロペラポンプ（１７）は、エアロックされたシュラウド（５９）によって保護されたシャフト（５７）を備える、請求項１７または１８に記載のエネルギー変換システム。
20. 再循環器（１７、１８）は、プロペラポンプ（１７）を駆動するために使用時に配置される油圧モータ（５３）を備える、請求項１７～１９のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
21. 再循環器（８）は、第３の液体を再循環させるように動作可能な流体置換力ポンプ（１７Ａ）を備える、請求項１５または１６に記載のエネルギー変換システム。
22. 変換装置（２４）はタービン（２４）を備え、仕事の出力は運動エネルギーを含む、請求項１～２１のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
23. 変換装置（２４）は油圧式空気圧縮機を備え、油圧式空気圧縮機は、使用時に空気を受け入れて圧縮するように配置され、仕事の出力は空気の圧縮である、請求項１～２２のいずれか１項に記載のエネルギー変換システム。
24. エネルギーを変換する方法であって、
    第１の液体を含むライザー導管を提供するステップ（２０１）と、
    第２の液体を含むダウンカマーを提供するステップであって、ダウンカマーは、ライザー導管と流体連通しており、第２の液体は、第１の液体と、第２の液体が第１の液体よりも高い比重を有するように懸濁している微細に分割された材料とを含み、ダウンカマーは、第１のタンクおよび第２のタンクと流体連通している、ステップ（２０２）と、
    微細に分割された材料の懸濁状態を維持するために第３の液体を再循環させるステップであって、第３の液体は、第２の液体と、第３の液体が第２の液体よりも高い比重を有するように懸濁しているさらなる微細に分割された材料とを含み、第３の液体を排出し、変換装置からの第１の液体と混合して第２の液体を形成する、ステップ（２０３）と、
    第１のカラム内の第１の液体の位置エネルギーを仕事の出力に変換して、第１の液体を排出するステップ（２０４）と、
    第１および第２のタンク内の液体の高さを所定の閾値以下に維持するために、第１のタンクおよび第２のタンクへの第１の液体の供給を規制するステップ（２０５）と、
    を含む、方法。

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