JP4651752B2 - 天然ガスパイプラインの過剰圧力を使用して動力を発生する装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、エネルギ回収の分野に関し、さらに詳しくは、天然ガスパイプラインの過剰圧力の形で存在する位置エネルギの抽出に関する。
天然ガスは通常、７００〜１０００ｐｓｉａの圧力で輸送パイプラインを輸送される。ガス圧は、分配ネットワークへの送出のため都市のゲートステーションで圧力調節器や制御弁により１５０〜２００ｐｓｉａに減圧され、分配ネットワークで圧力は約５０ｐｓｉａまで再度減圧され消費者に供給される。しかしながら、過剰ガス圧力に固有の位置エネルギは、従来の圧力調節装置では主に廃熱の形で失われる。
天然ガスパイプラインの消失エネルギの問題の一つの解決策として、スチュワートとスチブンソンが最近開発し「動力拡大機（Power Expander）」として知られるエネルギ回収装置が提案されている。配管中に取り付けると、反応タービン車輪にある角度でガスを吹き付ける動力拡大機のノズルを高圧ガスが通過する。車輪はガスの力で回転し、誘導発電機に連結された出力軸を介して機械エネルギを伝達する。１日に連続して２１００万ｆｔ³の流量で１５０ｐｓｉａの入力圧と５０ｐｓｉａの出力圧を有する天然ガス輸送ラインに取り付けると、動力拡大機は１００ｐｓｉの圧力減で３８２ｈｐの出力を発生し２５０ｋＷを発生した。したがって、この装置は、ガス圧の１ｐｓｉの減少につき約３．８２ｈｐを発生し２．５ｋＷを発生する。
本発明の目的は、液体が充填された容器の液体の静水圧がガスの所望の圧力降下に等しいレベルで、下方に開口した複数の受け部材に圧力ガスを連続的に流して、受け部材内の液体の一部を排出するとともに受け部材を上方に付勢する浮力を発生させ、上方に移動する受け部材の浮力を回転動力に変換することにより、ガス圧を電力に変換する方法及び装置を提供することである。
本発明の別の目的は、ガスを使用してエンドレス駆動チェーンにより支承され下方に向いたバケツあるいは受け部材内の液体を排出し、バケツ内のガスに作用する液体の静水圧を利用してバケツを上方に移動させ発電機の軸を回転させることによりガス圧を使用可能な動力に変換する装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、パイプライン内のガス圧を減少させながら動力を発生する装置を提供することであり、この装置は、二つの垂直部と垂直部の上端及び下端をそれぞれ接続する二つの水平部を有し液体が充填された容器と、水平部の一つに取り付けられ水平出力軸とともに回転するスプロケットと、他の水平部に回転自在に取り付けられたアイドラープーリと、スプロケットとアイドラープーリを囲繞するエンドレス駆動チェーンと、駆動チェーンに支承された開口端を有する複数の受け部材であって、受け部材が駆動チェーンとともに上方に移動すると受け部材の開口端が下方を向く一方、受け部材が駆動チェーンとともに下方に移動すると上方を向くように各受け部材がチェーンに配設された複数の受け部材と、容器の底部に配設されたガス入口であって、ガスの少なくとも一部が容器に入り、バケツの下方を向いた開口端にさらに入るとともにバケツから液体を排出することにより受け部材を上方に付勢する浮力を発生させてスプロケットと出力軸を回転させるとともにバケツ内のガス圧を減少させ、バケツがスプロケット上を移動するにつれてバケツの上下が反対になることにより受け部材内のガスが解放されて容器の頂部に向かって上方に流れるようにしたガス入口と、容器の頂部のガス出口とを備えている。
本発明のさらに別の目的は、ガス圧の１ｐｓｉの降下に対し回収できるエネルギ量を顕著に改善しながら天然ガスパイプライン内のガス圧を減少させる装置を提供することである。特に、本発明は、作動中、１５０ｐｓｉａの入口圧が５０ｐｓｉａの出口圧に減少すると、ガス圧の１ｐｓｉの減少につき２２．１４ｋＷを発生させる約３１．４２ｈｐを提供するものである。
本発明のこのような目的、他の目的、利点及び特徴は、添付した図面及び請求の範囲を含む本願明細書を考慮することにより当業者には明白である。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明にかかる動力発生装置の一部の部分断面正面図である。
図２は図１の線２−２に沿った動力発生装置の下部水平部の断面図である。
図３は天然ガスパイプラインの圧力の一部を電気エネルギに変換するために直列に接続された複数の本発明の動力発生装置の流れ図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
図３は、天然ガスの入ロパイプライン１２と出ロパイプライン１６との間に直列に接続された本発明にかかる幾つかの動力発生装置１０の流れ図を示している。天然ガスは１５０〜２００ｐｓｉａの範囲の圧力でパイプライン１２を流れる。ガスが１４．３フィートの水中で気泡になると、各動力発生装置１０に伝達されるガス圧は約６．２ｐｓｉ減少する。その間に、６．２ｐｓｉの圧力降下によるエネルギの一部が仕事に変換され、以下に記載するように出力軸２８を回転させる。各出力軸２８に発生したトルクは、誘導発電機（図示せず）あるいは他の手段により電気に変換される。複数の動力発生装置１０を直列に配設することにより、排気ライン１４のガス圧は最終的に消費者が使用するのに適したレベルまで減少する。例えば、そのような装置１０を直列に１６基配設すると、ガス入ロパイプライン１２の１５０ｐｓｉａの圧力がガス出ロパイプライン１６で約５０ｐｓｉａまで減少し、累積すると３，１４２ｈｐを発生し、発電機効率を約５３〜５５％とすると２，２１４ｋＷの回収エネルギを発生する。
本発明の方法を行う装置の好ましい実施形態が図１に示されており、図番１０が付されている。装置１０は、二つの略垂直部１８，２０と、垂直部の上端及び下端をそれぞれ連結する二つの水平部２２，２４を有し、水が充填された容器を備えている。図示した実施形態では、部分２０は垂直軸に対し多少傾斜している。上部水平部２２は、傾斜した上面２２Ａ，２２Ｂと穴があいた水平の上面２２ｃとを有している。
上部水平部２２にはスプロケット２６が水平出力軸２８に取り付けられており、これと一体的に回転する。下部水平部２４にはアイドラープーリ３０がプーリ軸３２に取り付けられており、これと一体的に回転する。スプロケット２６はその周囲に外溝２７を有する一方、アイドラープーリ３０はその周囲に外溝３１を有しており、その目的を次に説明する。
エンドレス駆動チェーン３４がスプロケット２６とアイドラープーリ３０にわたって延在している。ガス容器あるいはバケツ３６が駆動チェーンに取り付けられている。ガス容器３６は、アクリルのようなできるだけ中性の浮揚性材料に近い材料で製作するのが好ましい。図示した実施形態では、各バケツ３６は、ピン３９により駆動チェーンのリンク４４に枢着された一対のフランジ３７を有しており、フランジは駆動チェーンの別のリンクとして作用する。アイドラープーリ３０の溝３１及びスプロケット２６の溝２７はそれぞれ離間しており、駆動チェーンがプーリとスプロケット上を移動するにつれてピン３９と嵌合し、プーリとスプロケットを移動する駆動チェーンとともに回転する。
作動中、バケツ３６がスプロケット２６の周囲を通過するときの通路の上のレベルまで容器１０に水が充填される。圧力ガスは入口ラインＩを介して容器に入る。穴があいたチューブ４０が入口ラインＩに垂直に接続され、バケツの開口端４６の全幅にわたって天然ガスを分配する。
ガスはまず最下端のバケツ３６Ａに入り、バケツ内の水を排出する。バケツを上方に付勢するバケツ内のガスには当初水の静水圧しか加わらない。この力は駆動チェーンを移動させるには十分でない可能性があるので、過剰ガスを次のバケツに流すための通路４８が設けられている。このプロセスは、下方に開口したバケツの各々に天然ガスが充填され、バケツに作用する浮力がバケツに取り付けられた駆動チェーン３４を容器の部分２０で上方に移動させるまで、続けられる。駆動チェーンとバケツが一旦動き始めると、その動きをかなりの割合で仕事に変換するに十分な浮力が発生する。チェーン３４が回転すると、ピン３９とそれぞれの溝２７，３１が嵌合しているので、スプロケット２６とアイドラーアーム３０が回転する。次に、軸２８，３２がスプロケット２６とアイドラーアーム３０によりそれぞれ回転せしめられる。
容器の上部２２の外側に延びる出力軸２８の回転により得られるトルクは、発電機の駆動に使用され、容器の外部で電力を発生させる。このプロセスにおいて、輸送ライン中の天然ガスの圧力は消費者の使用に適したレベルまで減少する。
容器に入るがバケツに収集されないガスの一部、約２５％は、水中を急速に上昇し、容器内を部分２０，２２，１８，２４の順に反時計方向に流れる水流を発生する。この水流は、容器内のバケツ３６とチェーン３４の移動を促進する。
上記したように、輸送ラインから分配ラインへの所望の圧力降下は通常約１００ｐｓｉである。本発明の容器を使用して１００ｐｓｉの圧力降下を得るためには、２３０フィートの水を収容する容器が必要である。あるいは、直列に接続された幾つかの容器を使用することも可能で、例えば各容器が約１４．３フィートの水を介してガスが移動するのに十分な水を収容した１６個の容器を使用すると、１５０ｐｓｉのライン圧力から約１００ｐｓｉまで圧力が降下し、上記したように約２，２１４ｋＷの動力を発生する。この場合、各容器における圧力降下は約６．２ｐｓｉである。
以上より、本発明はここに記載した全ての目的のみならず本発明から自明の、あるいは、本発明に固有の他の利点を達成するのに良く適合しているのが理解できる。
ある特徴及びサブコンビネーションも利用価値があり、他の特徴及びサブコンビネーションを参照することなく採用できることも理解できる。これは請求の範囲に反映されている。
本発明の範囲から逸脱しない他の多くの変形例も製作可能で、ここに記載し添付図に示した全ての事項は一例であって、これに限定されるものではない。
例えば、本発明はその好ましい実施形態において複数の動力発生装置１０として示されているが、システムの特定の要求によりそのような装置は並列にあるいは単独で使用することもできる。
さらに、プロパンやメタン貯蔵タンクのようなシステムや製油所の燃焼ガスのように過剰ガス圧があれば本発明が適用できることは当業者には理解できるところである。

Claims (5)

1. 略垂直な第１部分と該第１部分から離反するように上方に傾斜した第２部分とを有するとともに各部分が上下端を有し、第１及び第２部分の上下端を接続する二つの略水平部分を有する液体が充填された容器と、
   水平部分の一つに取り付けられ水平出力軸とともに回転するスプロケットと、
   他の水平部分に回転自在に取り付けられたアイドラープーリと、
   スプロケットとアイドラープーリを囲繞するエンドレス駆動チェーンと、
   駆動チェーンに支承された開口端を有する複数の受け部材であって、受け部材が駆動チェーンとともに第２部分を上方に移動すると受け部材の開口端が下方を向く一方、受け部材が駆動チェーンとともに第１部分を下方に移動すると上方を向くように各受け部材がチェーンに配設された複数の受け部材と、
   第２部分の下端の下方に配設されたガス入口であって、ガスの少なくとも一部が容器に入り、第２部分の受け部材の下方を向いた開口端にさらに入るとともに受け部材から液体を排出することにより受け部材を上方に付勢する正の浮力を発生させてスプロケットと出力軸を回転させるとともに受け部材内のガス圧を減少させ、受け部材がスプロケット上を移動するにつれて受け部材の上下が反対になることにより受け部材内のガスが解放されて容器の頂部に向かって上方に流れるようにしたガス入口と、
   第２部分の上端より上方の容器に接続されたガス出口と、
   を備え、パイプライン内のガス圧を減少させながら動力を発生する装置。
2. 上記スプロケットは上記アイドラープーリよりも直径が大きく、第１及び第２部分の上端を接続する水平部分に回転自在に取り付けられ、上記アイドラープーリは第１及び第２部分の下端を接続する水平部分に回転自在に取り付けられた請求項１に記載の装置。
3. 各受け部材はその外側にオーバーフロー通路を有し、容器に入るガスは、受け部材の上方移動が開始しスプロケットが回転するに十分な浮力が発生するまで、オーバーフロー通路を通過して次に高い受け部材に入るようにした請求項１に記載の装置。
4. パイプライン内のガス圧を所定量減少しながら動力を発生する方法であって、
   液体が充填された容器内の上下軸の周囲を外方傾斜部と垂直部を介して回転自在にエンドレスループ状に接続され、下方に開口した複数の受け部材に圧力ガスを連続的に流し、ガスの所望の圧力降下に略等しい静水圧を液体が示すレベルの外方傾斜部の下方にガスを注入し、外方傾斜部の受け部材内の液体の一部を排出して受け部材を上方に付勢する正の浮力を発生させることにより上方に付勢された受け部材内のガスの浮力を軸の一つの回転動力に変換し、ガスの注入レベルにおける水の静水圧に略等しい量だけガス圧を減少させるようにした方法。
5. 輸送ライン内の天然ガスの圧力を分配圧まで減少しながら動力を発生する方法であって、
   液体が充填された容器の外方傾斜部の下方に天然ガスを注入し、容器内の水平出力軸に取り付けられ一体的に回転するスプロケットを囲繞するエンドレス駆動チェーンにより支承され開口端を有する複数の受け部材に収集し、受け部材が外方傾斜部内を移動するときには受け部材の開口端は下方を向き、外方傾斜部内の受け部材に天然ガスが収集されるにつれて液体が受け部材から排出されて下方を向いた受け部材を上方に付勢する正の浮力を発生するとともに受け部材内の天然ガスの圧力を減少させながらスプロケットと出力軸を回転させ、各受け部材がスプロケット上を移動し上下が反対になると天然ガスを解放して容器内を上方に流し、
   解放された天然ガスを容器の頂部の出口を介して収集し、液体が充填され直列に接続された他の容器に収集された天然ガスを連続的に伝達して解放し、他の容器の一つから解放された天然ガスの圧力が適切な分配圧に接近するまで圧力降下させ、
   各容器内を上方に移動する受け部材の浮力を各容器の出力軸の回転動力に変換するようにした方法。

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