JP6921915B2 - 動力発生システム用の熱交換器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年８月２２日付で出願された米国仮出願第６２／０４０，９８８号に対する優先権およびその利益を主張し、その全内容は、この参照によりその全体が本出願に組み込まれる。

本開示は、動力発生システム（ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）用の熱交換器および超臨界流体を使用する関連する方法に関する。

従来より、ブレイトンサイクルなどの熱力学的動力生成サイクルは、大気などの理想気体を使用する。そのようなサイクルは典型的には、空気がサイクルの構成要素を通って流れた後、比較的高い温度で再び大気に排気されるために燃料の燃焼によって生成されたかなりの量の熱がサイクルから失われてしまうという意味において開放している。ブレイトンサイクルにおいて廃熱を捕捉し利用するための一般的な手法は、復熱装置を使用して、タービンの排気ガスから熱を抽出し、熱交換器を介して圧縮器から吐出される空気にそれを伝達することである。そのような熱の伝達によって燃焼器に流入する空気の温度が上昇するため、所望のタービン入口温度を達成するのに必要な燃料が少なくなる。その結果、熱力学サイクル全体の熱効率が改善される。しかしながらそのような復熱サイクルにおいても、熱は高温の熱源から低温のシンクに流れることしかできず、タービンの排気ガスの温度を圧縮器から吐出される空気の温度より低く冷却することができないため、熱効率が制限される。より最近では、密閉型熱力学的動力生成サイクルにおいて超臨界二酸化炭素（ＳＣＯ２）などの超臨界流体を使用することに関心が生まれている。

超臨界流体を利用する典型的な熱力学的動力生成サイクルは、作用流体が超臨界流体である第１のブレイトンサイクルと、作用流体が周囲空気である第２のブレイトンサイクル内に配置された圧縮器と、燃焼器と、熱交換器とを含む。超臨界流体サイクルと周辺サイクルとの間で熱を伝達するのに必要とされる熱交換器は、大型であり、費用が高く、実装するのに実用的ではない場合がある。より効果的に流れサイクルを管理することで、超臨界流体サイクルを利用する動力発生システムにおける熱伝達の効率を改善することができる。

本開示の一実施形態は、動力発生システム用に構成された熱交換器である。熱交換器は、第１の端部と、所定の軸方向に沿って第１の端部と対向する第２の端部とを有する少なくとも１つのプレートアセンブリを含む。各々のプレートアセンブリは、互いに積層された複数のプレートを含む。前記少なくとも１つのプレートアセンブリは、第１の流れ形状部と、第１の流れ形状部から分離された第２の流れ形状部とを画定する。前記第１および第２の流れ形状部は、第１の端部から第２の端部まで延在し、当該プレートアセンブリを通して第１および第２の流体をそれぞれ誘導する。前記熱交換器は軸方向に沿って少なくとも１つのプレートアセンブリに張力を加えるケーシングアセンブリを含み、これにより、前記少なくとも１つのプレートアセンブリが少なくとも所定の温度に曝されると、当該プレートアセンブリに加えられる張力を低下させるために各々のプレートが少なくとも部分的に軸方向に沿って膨張する。

上述の概要ならびに以下の実施形態の詳細な記載は、添付の図面と併せて読むことでより適切に理解される。本発明を例示する目的で、図面は目下好ましいとされる実施形態を示している。しかしながら本発明は、図面に開示される特有の有用性に限定されない。
本開示の一実施形態による熱交換器の斜視図である。 図示する目的でマニホールドおよびケーシングアセンブリの一部が除去された、図１に示される熱交換器の斜視図である。 図示する目的でマニホールドおよびケーシングアセンブリの一部が除去された、図１に示される熱交換器の斜視図である。 図１に示される熱交換器において使用される外側ブロックの斜視図である。 図１に示される熱交換器において使用される中間ブロックの斜視図である。 図１に示される熱交換器において使用されるマニホールドの斜視図である。 図１に示される熱交換器において使用されるプレートアセンブリの斜視図である。 図５Ａに示されるプレートアセンブリの一部の詳細な斜視図である。 図５Ａに示されるプレートアセンブリの第１、第２および第３のプレートの分解組立斜視図である。 本開示の別の実施形態による熱交換器の斜視図である。 図６に示される熱交換器において使用されるプレートの平面図である。 本開示の別の実施形態による熱交換器の斜視図である。 図８Ａに例示されるコネクタの詳細な図である。 図８Ａに例示される熱交換器の断面図である。 図８Ａに示される熱交換器において使用されるプレートの平面図である。 本開示の一実施形態による動力発生システムの概略図である。

図１を参照すると、本開示の一実施形態は、例えば超臨界流体である第１の流体を含む第１の閉鎖型ブレイトンサイクルと、周囲空気である第２の流体を含む第２の開放型ブレイトンサイクルとを含む動力発生システムなどの動力発生システム用に構成された熱交換器２である。例示的な動力発生システム１００が以下に記載され図９に例示されている。熱交換器２は、動力発生システムに沿った熱交換器の場所に応じて、第１および第２の流体の一方から第１および第２の流体の他方に熱を伝達するように構成されている。

図１を続けて参照すると、熱交換器２は、第１および第２のプレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂなどの少なくとも１つのプレートアセンブリ４０と、第１の対のマニホールド９０および第２の対のマニホールド９２などの複数のマニホールドとを収容するケーシングアセンブリ１０を含む。マニホールドは、以下でさらに説明するように熱交換器２の中を通るように各々の流体を誘導することで第１および第２の流れ形状部を画定するように構成されている。熱交換器２は、第１の端部４と、軸方向Ａに沿って第１の端部２に対向する第２の端部６と、上部８ａと、軸方向Ａに直交する垂直方向Ｖに沿って上部８ａに対向する底部８ｂと、軸方向Ａおよび垂直方向Ｖに直交する横方向Ｌに沿って互いから離間して対向する側部８ｃおよび８ｄとを含む。「上部」「底部」「側部」「左」または「右」への言及は例示の目的であって、限定すべきではない。垂直方向Ｖおよび横方向Ｌは、第１および第２の方向と呼ばれる場合もある。

ケーシングアセンブリ１０は、プレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂを取り囲みこれらを支持している。より具体的には、ケーシングアセンブリ１０は、軸方向Ａに沿って少なくとも１つのプレートアセンブリ４０に張力を加えるものであり、これにより、プレートアセンブリ４０は、少なくとも１つのプレートアセンブリが少なくとも所定の温度に曝されると、当該アセンブリに加えらた張力を低下させるために少なくとも部分的に軸方向Ａに沿って膨張する。ケーシングアセンブリ１０および各プレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂは、異なる熱膨張係数を有する材料から作製することができるため、ケーシング１０と、プレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂは異なる温度で膨張する、あるいは同様の温度に対して異なる膨張率を有する。これにより作動中プレートアセンブリ４０に加えられる制限する軸方向の力に対する制限が生じ、これにより熱による疲労ストレスを低下させることができる。これはまた、熱による疲労の原因である種々の構成要素部品における熱によって誘発される歪みも制限する。

図２Ａおよび図２Ｂを続けて参照すると、ケーシングアセンブリ１０は、第１のプレートアセンブリの第１および第２の端部４２ａおよび４４ａにそれぞれ結合された第１および第２の上部ブロック１２および１４を含む。第１および第２の底部ブロック１６および１８が、第２のプレートアセンブリの第１および第２の端部４２ｂおよび４４ｂにそれぞれ結合される。例示的な上部ブロック１２が、図３Ａに示されている。ブロック１４、１６および１８は、図３Ａに示される上部ブロック１２と同様に構成される。ケーシングアセンブリ１０はまた、ブロック１２と１６およびブロック１４と１８との間に配置された中央ケーシングパネル２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄ（２０ｄは示されない）を含む。上部および底部中央ケーシングパネル２０ａと２０ｄは、垂直方向Ｖに沿って離間されている。中央ケーシングパネル２０ｂと２０ｃは、横方向Ｌに沿って互いに対して離間されている。したがって中央ケーシングパネル２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄは、プレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂの部分から離間され、そこに直接装着されないように、プレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂの中央部分を取り囲む。ケーシングパネル２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄを真空にすることで、プレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂからケーシングアセンブリ１０への熱の伝達をなくすことができる。さらに１若しくはそれ以上の圧力センサ（図示せず）を使用して漏れを監視することもできる。ケーシングアセンブリ１０はさらに、密閉された環境を形成することができ、具体的にはケーシングアセンブリは真空で密閉される。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、熱交換器２はまた、第１および第２の中間ブロック２２および２４も含む。第１の中間ブロック２２は、プレートアセンブリ４０ａの第１の端部４２ａとプレートアセンブリ４０ｂの第１の端部４２ｂとの間に位置決めされる。第２の中間ブロック２４は、プレートアセンブリ４０ａの第２の端部４４ａとプレートアセンブリ４０ｂの第２の端部４４ｂとの間に位置決めされる。したがって中間ブロック２２および２４は、第１および第２のプレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂを垂直方向Ｖに沿って互いに対して離間する。図３Ｂに示されるように、中間ブロック２２および２４は各々、その間にＵ字型の隙間３０を画定するアーム２６および２８をそれぞれ含む。アーム２６および２８は外側の側部に、中央側ケーシングパネル２０ｂおよび２０ｃの端部を収容する切欠き３２を含むことで、ケーシングパネル２０ｂおよび２０ｃは、中間ブロックの外側端部と同一面になる。中間ブロック２２および２４のプレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂを両端部へ固定することにより、作動中の温度暴露の変動に対する各々のプレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂの、例えば、膨張および収縮などの機械的な反応が独立して生じる。換言すると、第１および第２のプレートアセンブリ４０ａおよび４０ｂは、少なくとも所定の温度に曝されると、軸方向Ａに沿って独立して膨張することができる。

図５Ａおよび図５Ｂは、熱交換器２において使用される第１のプレートアセンブリ４０ａを示す。第２の熱交換器４０ｂは、第１のプレートアセンブリ４０ａとほぼ同様である。よって第１のプレートアセンブリ４０ａのみを以下に記載することにする。プレートアセンブリ４０ａは、互いに積層された複数のプレート７０と、上方キャッププレート４８と、下方キャッププレート５０（図示せず）とを含むプレートスタックを含む。プレート４６、４８および５０は、ほぼ同一形状を有することができる。図示される実施形態において、プレートアセンブリ４０ａは、１０個の個別のプレートを含む。しかしながら１０個を超える、または１０個未満のプレートが利用される場合もある。

図５Ａおよび図５Ｂを続けて参照すると、プレートアセンブリ４０ａは、第１の流れ形状部５２と、第１の流れ形状部５２から分離された第２の流れ形状部５４とを画定する。第１および第２の流れ形状部５２、５４は、それぞれ第１の端部４２ａから第２の端部４４ａに延在し、プレートアセンブリ４０ａを通して第１および第２の流体をそれぞれ誘導する。図示されるように、第１の端部４２ａはプレートアセンブリ４０ａの注入口端部を画定し、第２の端部４４ａはプレートアセンブリ４０ａの出口端部を画定して流体が概ね端部４２ａから端部４４ａまで熱交換器２を横切って移動する。したがって第１の流れ形状部５２は、プレートアセンブリ４０ａの第１の端部４２ａによって画定される第１の注入口５３ａと、第２の端部４４ａによって画定される第１の出口端部５３ｂとを含む。第２の流れ形状部５４は、プレートアセンブリ４０ａの第１の端部４２ａによって画定される第２の注入口５５ａと、第２の端部４４ａによって画定される第２の出口５５ｂとを含む。

熱交換器２は、冷温状態で組み立てられるため、プレートアセンブリ４０ａは、軸方向Ａに沿って伸張状態に置かれている。使用時に加熱されると、プレートアセンブリ４０ａの少なくとも一部が軸方向に沿って膨張され、プレートアセンブリ４０ａが設計作動温度に曝されたときの軸方向の力が最小限になる。例えばプレートアセンブリ４０ａは、第１の端部４２ａを画定する第１のプラットフォーム部分５６と、第２の端部４４ａを画定する第２のプラットフォーム部分５８と、第１のプラットフォーム部分５６と第２のプラットフォーム部分５８との間に延在する蛇行部分とを含む。蛇行部分は、第１および第２の蛇行部分６０および６２を含む。蛇行部分６０および６２は、軸方向Ａに沿った蛇行部分６０および６２の膨張および収縮を可能にするように構成されたスロット部分６４を含む。

第１の対のマニホールド９０がプレートアセンブリ４０ａの第１の端部４２ａに装着されることで、注入口５３ａおよび５５ａ、すなわち第１および第２の流れ形状部の第１の対の開口と対になるように整列される。第２の対のマニホールド９２が、プレートアセンブリ４０ａの第２の端部４４ａに装着されることで出口５３ｂおよび５５ｂと整列される。

図５Ｃは、プレートアセンブリ４０ａを画定するプレートの構成を図示する。上記で指摘したように、プレートスタック４６は、上記に記載した第１および第２の流れ形状部５２および５４を画定するように配置された複数のプレートを含む。図５Ｃは、分解組立図において３つのプレートを示す。上方および下方プレートは同様のものであり、各々を第１のプレートタイプ７０ａと呼ぶことができる。中央プレート７０ｂは、プレート７０ａとは異なり、第２のプレートタイプと呼ばれる場合がある。したがってスタック４６は、以下にさらに詳細に記載するように流れ形状部５２および５４を画定する第１および第２のプレートタイプを含む。プレート７０ａを以下に記載するが、プレート７０ａおよび７０ｂは、そうでないことが指摘されなければ同じものであることが理解される。プレート７０ａは、対向する端部７２ａおよび７２ｂと、左側部７２ｃと、横方向に沿って左側部７２ｃに対向する右側部７２ｄとを含む。図示されるように左側部７２ｃは、ページの左側に配置され、右側部７２ｄは、シート上の左側部７２ｃの右手にある。「左」および「右」の使用は、ここでは限定的であるべきではない。プレート７０ａはまた、下方面７１ａと、下方面に対向する上方面７１ｂとを画定する。下方面７１ａはほぼ平面である。上方面７１ｂは、第１および第２の流れチャネル８０および８２を画定する。第１および第２の流れチャネル８０および８２を以下にさらに記載する。

図５Ｃを続けて参照すると、プレート７０ａは、第１のプラットフォーム７４と、第２のプラットフォーム７６と、第１のプラットフォーム７４から第２のプラットフォーム７６まで延在する少なくとも１つの蛇行部分とを含む。図示されるように、プレート７０ａは、第１の蛇行プラットフォーム７８ｒと、第２の蛇行プラットフォーム７８ｌとを含む。プレートがスタック４６内に組み立てられる際、各々のプレートの第１のプラットフォームは、プレートアセンブリ４０ａの第１のプラットフォーム部分５６を画定し、各々のプレートの第２のプラットフォームは、プレートアセンブリ４０ａの第２のプラットフォーム部分５８を画定し、プレートの第１の蛇行プラットフォームは、プレートアセンブリ４０ａの第１の蛇行部分６０を画定し、第２の蛇行プラットフォームは、プレートアセンブリ４０ａの第２の蛇行部分６２を画定する。各々のプレートはさらに、横方向Ｌに沿って細長い複数のスロット６４を画定する。各々のスロット６４によって、各々のプレート７０ａが軸方向Ａに沿って少なくとも部分的に膨張することが可能になる。

上記に記載するように、各々のプレートは第１の流れチャネル８０と、第１の流れチャネル８０から分離された第２の流れチャネル８２とを形成する。 第１の流れチャネル８０は、第１の蛇行プラットフォーム７８ｒに沿って延在し、第２の流れチャネル８２は第２の蛇行プラットフォーム７８ｌに沿って延在する。プレート７０ａは、プレート７０ａの対向する端部７２ａおよび７２ｂにそれぞれ配置された第１の流れチャネル入口８４ａおよび８４ｂを含む。プレート７０ａはまた、プレート７０ａの対向する端部７２ａおよび７２ｂにそれぞれ配置された第２の流れチャネル入口８６ａおよび８６ｂも含む。他方においてプレート７０ｂは、プレート７０ｂの対向する端部７２ａおよび７２ｂにそれぞれ配置された第１の流れチャネル入口８４ｃおよび８４ｄを含む。プレート７０ｂはまた、プレート７０ｂの対向する端部７２ａおよび７２ｂにそれぞれ配置された第２の流れチャネル入口８６ｃおよび８６ｄを含む。

プレート７０ａ、すなわち第１のプレートタイプと、プレート７０ｂ、すなわち第２のプレートタイプとの違いは、プレートの対向する端部７２ａおよび７２ｂに沿った流れチャネル入口の位置である。より具体的には、プレート７０ａは、右側部７２ｄより左側部７２ｃにより近接して配置された注入口８４ａおよび８６ａとして構成された第１および第２の流れチャネル入口と、左側部７２ｃより右側部７２ｄにより近接して配置された出口８４ｂおよび８６ｂとして構成された第１および第２の流れチャネル入口とを含む。プレート７０ａは、「右側出口」プレートと呼ばれる場合もある。他方においてプレート７０ｂは、左側部７２ｃより右側部７２ｄにより近接して配置された注入口８４ｃおよび８６ｃとして構成された第１および第２の流れチャネル入口と、右側部７２ｄより左側部７２ｃにより近接して配置された出口８４ｄおよび８６ｄとして構成された第１および第２の流れチャネル入口とを含む。プレート７０ｂは、「左側出口」プレートと呼ばれる場合もある。各々の第１のプレート７０ａの第１および第２の流れチャネルが第１の流れ形状部５２を画定し、各々の第２のプレート７０ｂの第１および第２の流れチャネルが第２の流れ形状部５４を画定するように、第１および第２のプレート７０ａおよび７０ｂは交互に積み重ねられる。第１の流れチャネル８０および第２の流れチャネル８２の少なくとも一部は、プラットフォーム部分に沿って互いに平行である。

図６および図７は、本開示の別の実施形態による熱交換器３０２を示す。熱交換器３０２は、熱交換器２と同様である。各々の熱交換器の同様の構成要素は、同様の参照符号を有する。図示の実施形態によると、熱交換器３０２は、ケーシングアセンブリ１０と、プレートアセンブリ３４０ａとを含む。さらに各々プレートアセンブリ３４０ａは、プレートの第１のタイプ３７０ａと、プレートの第２のタイプ３７０ｂとを含む複数の積み重ねられたプレートを含む。各々のプレートは、プラットフォーム端部５６と５８との間に延在する単一の蛇行部分３６０を画定する。さらに、プレート３７０ａは、蛇行プラットフォーム３６０に沿って延在する単一の流れチャネル３５２を形成する。プレートアセンブリ３４０ａは、入口３８４および３８６を画定する。ケーシングアセンブリ１０は、軸方向Ａに沿ってプレートアセンブリ３４０ａに張力を加えるものであり、これにより、プレートアセンブリ３４０ａは、少なくとも所定の温度に曝されると、当該アセンブリ３４０ａに加えられた張力を低下させるために少なくとも部分的に軸方向Ａに沿って膨張する。

図８Ａ〜図８Ｄは、本開示の別の実施形態による熱交換器４０２を示す。熱交換器４０２は熱交換器２と同様である。各々の熱交換器の同様の構成要素は、同様の参照符号を有する。熱交換器４０２は、ケーシングアセンブリ４１０と、第１の端部、および軸方向Ａに沿って第１の端部に対向する第２の端部とを含む少なくとも１つのプレートアセンブリ４４０ａとを含む。

各々のプレートアセンブリ４４０ａは、横方向Ｌに沿って互いに積層された複数のプレート４７０を含む。熱交換器は、プレートアセンブリ４４０ａの中を通る第１の流れ形状部４４２と、各々のプレートアセンブリ４４０ａ内の隣接するプレート４７０との間の隙間によって画定される第２の流れ形状部４４４とを画定する。複数のプレートアセンブリ４４０ａを軸方向Ａに沿って一方の端部から他方の端部に亘って配置することができる。

ケーシングアセンブリ４１０は、ケーシングパネル４１５ａおよび４１５ｂと、一対の圧縮レール４２０ａおよび４２０ｂとを含む。各々のレール４２０ａおよび４２０ｂは、第１の端部と、軸方向Ａに沿って第１の端部に対向する第２の端部とを含む。圧縮レール４２０ａおよび４２０ｂは、軸方向Ａに沿ってプレートアセンブリ４４０ａに力を加える。圧縮レールは、炭化ケイ素などのセラミック物質で作製することができる。熱交換器４０２はまた、一対の圧縮レール４２０ａおよび４２０ｂの第１の端部を互いに対して結合する第１の連結器アセンブリ４５０ａと、一対の圧縮レール４２０ａおよび４２０ｂの第２の端部を互いに対して結合する第２の連結器アセンブリ４５０ｂとを含む。第１のプレートアセンブリ４４０ａに流入する流体のための注入口経路を画定するように、第１の連結器アセンブリ４５０ａが第１のプレートアセンブリ４４０ａの注入口端部に結合される。流体が第２のプレートアセンブリ４５０ｎを出て行くための出口経路を画定するように、第２の連結器アセンブリ４５０ｂが第２のプレートアセンブリ４４０ｎの出口端部に結合される。第１の連結器アセンブリ４５０ａ及び第２の連結器アセンブリ４５０ｂはそれぞれジャッキねじを有するジャッキ機構を含むものであり、当該ジャッキねじは各圧縮レール４２０ａおよび４２０ｂの第１の端部および第２の端部に接し、それにより軸方向Ａに沿ってプレートアセンブリ４４０ａおよび４４０ｎに前記力を加える。図８Ｄに示されるように、各々のプレート４７０は、第１の湾曲した切欠き４７２と、第２の湾曲した切欠き４７４と、中央の切欠き４７５と、第１の湾曲した切欠き４７２から第２の湾曲した切欠き４７６まで延在するスロット４７６とを含む。各々のプレート４７０は、内部の流れチャネル４７８を画定する。熱交換器４０２における各々のプレートの流れチャネル４７８は、第１の流れ形状部を画定する。

図９は、本開示の一実施形態による動力発生システム１００の概略図である。動力発生システム１００は、作動流体が超臨界流体である第１の閉鎖型ブレイトンサイクル１０２と、作動流体が周囲空気である第２の開放型ブレイトンサイクル１０４とを含む。第１のブレイトンサイクル１０２および第２のブレイトンサイクル１０４は、超臨界流体流路１０６と、空気流体流路１０８とをそれぞれ含む。流路１０６および１０８は、一実施形態において隔てられているため、２つの流路１０６と１０８間で超臨界流体と空気との間に混合作用はほとんど生じない、または全く生じることはない。

動力発生システム１００は、圧縮器と、タービンと、１若しくはそれ以上の燃焼器と、流路１０６および１０８に沿って接続された複数の熱交換器とを含む。熱交換器は、複数のクロスサイクル熱交換器１３２、１３４、１３６および１３８を含む。本明細書で使用される際、「クロスサイクル熱交換器」は、エアブリージングサイクル１０４から空気または空気と燃焼ガスの両方を受け取り、超臨界流体サイクル１０２から超臨界流体を受け取り、２つのサイクルにおける流体間で熱を伝達する熱交換器を指す。さらに動力発生システム１００は、超臨界流体流路１０６に沿って復熱式熱交換器１３０を含む。本明細書で使用される際、用語「復熱式熱交換器」は、超臨界流体サイクル１０２においてＳＣＯ２タービンから吐出された臨界流体と、ＳＣＯ２圧縮器から吐出された超臨界流体との間の熱伝達を指す。動力発生システム１００はまた、弁１２２と、流量計１４０と、混合接合部１２４と、システム１００の作動を制御するように構成された１若しくはそれ以上の制御装置とを含むことができる。熱交換器１３０、１３２、１３４、１３６および１３８のあらゆるもののいずれも、上記に記載した熱交換器２、３０２または４０２と同様であってよい。

図９を続けて参照すると、最初に超臨界流体の流れ２０２が圧縮器１１０の入口に供給され、これは軸流式、遠心式、往復式等のタイプの圧縮器であってよい。圧縮器１１０は、第１のＳＣＯ２圧縮器１１０と呼ばれる場合もある。圧縮器１１０は、タービン１１４に作動可能に接続されたシャフト１１２を含む。タービン１１４は、第１のＳＣＯ２タービン１１４と呼ばれる場合もある。流れ２０２に沿った流量計１４０が圧縮器の入口に供給される超臨界流体の流量を測定する。流量計１４０は、超臨界流体サイクル１０２における総ＳＣＯ２質量の管理ならびに過渡的な流れの挙動の管理をするのに役立つ。一実施形態において、超臨界流体は、それが以下で考察するように、その臨界点に近い温度に冷却され、かつその臨界点に近い圧力まで膨張した後、ＳＣＯ２圧縮器１１０の入口に流入する。用語「超臨界流体」は、別個の液相と気相が存在しない流体を指しており、超臨界流体の用語「臨界点」は、その物質が超臨界状態にあると言うことができる最も低い温度および圧力を指す。二酸化炭素の場合、臨界点は、およそ３０４．２°Ｋおよび７．３５ ＭＰａである。一実施形態において圧縮器１１０に流入する超臨界流体は、少なくともその臨界点の±２°Ｋの範囲内に冷却される。別の一実施形態において、圧縮器１１０に流入する超臨界流体は、少なくともその臨界点の±１°Ｋの範囲内に冷却される。さらに別の一実施形態では、圧縮器１１０に流入する超臨界流体は、その臨界点の±０．２°Ｋの範囲内に冷却される。

図９を続けて参照すると、ＳＣＯ２圧縮器１１０において圧縮した後、超臨界流体の吐出流れ２０４は、第１および第２の吐出流れ２０６および２０８として第１および第２の部分に分割される。流れ２０６および２０８は、圧縮器吐出流れ２０６および２０８として本明細書で呼ばれる場合もある。分割によって、圧縮器１１０からの吐出流れ２０４の第１の部分を復熱させ、残りの部分を流路１０８を通って循環する空気流体によって一連の熱交換器１３４および１３２によって直接加熱することが可能になる。図示されるように、吐出流れ２０４は、制御装置（図示せず）と電子通信することができる弁１２２ａを介して分割される。制御装置は、弁１２２ａを作動するまたは始動することで必要に応じて流路１０６を通るように流れを誘導する。一実施形態において弁１２２ａは、吐出流れ２０４の５５％からおよそ７５％を第１の吐出流れ２０６に誘導するように構成される。吐出流れ２０４の流れの残りは、第２の吐出流れ２０８に誘導される。別の実施形態において、弁１２２ａは、吐出流れ２０４のおよそ６７％を第１の吐出流れ２０６に誘導するように構成される。

図９を続けて参照すると、超臨界流体の第１の吐出流れ２０６は、復熱式熱交換器１３０へと誘導され、そこでタービン１１６を出て行く加熱されたＳＣＯ２から第１の吐出流れ２０６へと熱が伝えられる。復熱式熱交換器１３０から吐出された加熱後のＳＣＯ２の流れ２１９は、接合部１２４ａへと誘導され、クロスサイクル熱交換器１３４を出る加熱されたＳＣＯ２の流れ２１０と混合される。

図９に示されるように、ＳＣＯ２圧縮器１１０からの第２の吐出流れ２０８は、クロスサイクル熱交換器１３４へと誘導される。クロスサイクル熱交換器１３４において、流路１０８内の燃焼ガスからの熱がＳＣＯ２の第２の吐出流れ２０８に伝達される。熱交換器１３４から吐出された流れ２１０は、上記で考察したように、接合部１２４ａにおいて復熱式熱交換器１３０からのＳＣＯ２の流れ２１９と混ざり合う。接合部１２４ａは、導管に接続される接続箇所であってよい、または混合装置を含む場合もある。

混合後の流れ２１２は、クロスサイクル熱交換器１３２に供給される。クロスサイクル熱交換器１３２において、流路１０８内の燃焼ガスから混合後のＳＣＯ２の流れに熱が伝達される。クロスサイクル熱交換器１３２は、加熱後のＳＣＯ２の流れ２１４を吐出する。

熱交換器１３２からの加熱後のＳＣＯ２の流れ２１４は、第１のＳＣＯ２タービン１１４の入口に誘導される。第１のＳＣＯ２タービン１１４は、軸流式、遠心式、混流式、または同様のタイプのタービンであってよい。第１のＳＣＯ２タービン１１４は、ＳＣＯ２を膨張させ、シャフト１１２を介してＳＣＯ２圧縮器１１０を駆動するシャフト動力を生成する。第１のＳＣＯ２タービン１１４における膨張の後、流れ２１５は第２のＳＣＯ２タービン１１６を通って循環され、このタービンは、シャフト１１８を介して発電機１２０のためのシャフト動力を生成する。発電機１２０は、システム１００のための出力電力を提供することができる。代替の実施形態において、サイクル１０２は、タービン１１４および発電機１２０に接続されたシャフト１１８を有する１つのタービン１１４を含む場合もある。そのような一実施形態では、吐出流れ２１６は、タービン１１４から弁１２０２ｂへと吐出される。

図９を続けて参照すると、第２のＳＣＯ２タービン１１６からの吐出流れ２１６は、吐出流れ２１８および吐出流れ２０２として第１および第２の部分に分割されてよい。吐出流れ２１８および吐出流れ２０２は、第１および第２の吐出流れ１８および２０２と呼ばれる場合もある。図示されるように、弁１２０２ｂが吐出流れ２１６を第１の吐出流れ１８と第２の吐出流れ２０２に分割することができる。制御装置が弁１２２ｂを制御または始動する。一実施形態において弁１２２ｂは、吐出流れ２１６の７０％からおよそ９０％を第２の吐出流れ２０２に誘導するように構成される。吐出流れ２１６の流れの残りは、第１の吐出流れ２１８に誘導される。別の実施形態において、弁１２２ｂは、吐出流れ２１６のおよそ８０％を第２の吐出流れ２０２に誘導するように構成される。どのくらいのＳＣＯ２タービン吐出流れ２１６が分割されるかに関わらず、第１の吐出流れ２１８は、クロスサイクル熱交換器１３６へと誘導され、流路１０８に沿って熱交換器１３６を通過する空気流によって冷却される。

第２の吐出流れ２０２は、復熱式熱交換器１３０へと誘導され、そこで吐出流れ２０２からの熱がＳＣＯ２圧縮器１１０からの第１の吐出流れ２０６に伝達される。換言すると、復熱式熱交換器１３０が、ＳＣＯ２の吐出流れ２０２を冷却する。復熱式熱交換器１３０からの冷却後のＳＣＯ２の吐出流れ２２４は、接合部１２４ｂにおいて熱交換器１３６から流入する流れ２０２と混合される。混合後の流れ１２６は接合部１２４ｂから、任意選択である場合もあるクロスサイクル熱交換器１３８に誘導される。例えば混合後の流れ１２６は、圧縮器１１０に直接誘導される場合もある。上記で指摘したように、クロスサイクル熱交換器１３８において、ＳＣＯ２の混合後の流れ１２６からの熱が、空気サイクル１０４の流路１０８に伝達される。冷却後のＳＣＯ２の流れ１２８は、冷却器１２６（任意選択である場合もある）を通るように誘導され、流れ２０２としてＳＣＯ２圧縮器１１０の入口に戻される。供給源１０９からの追加のＳＣＯ２がＳＣＯ２圧縮器１１０に誘導されたＳＣＯ２の流れ２０２に投入され、システムからのＳＣＯ２の何らかの漏出分を補うことができる。いずれにしてもＳＣＯ２流れ２０２は、圧縮器１１０の入口に戻され、圧縮−加熱−膨張−冷却のステップが繰り返される。

図９を続けて参照すると、システム１００全体のうちのエアブリージングサイクル１０４の部分は、開放した流路１０８を形成する。最初に、軸流式、遠心式往復式などのタイプの圧縮器であるエアブリージング圧縮器１５０に周囲空気１０１が供給される。圧縮器１５０は、タービン１５４に作動可能に接続されたシャフト１５２を含む。圧縮器１５０からの圧縮後の空気の流れ２３０はその後、上記で考察したように熱交換器１３０および１３６を介してタービン１１６から吐出されたＳＣＯ２の混合後の流れ２０２６からの熱の伝達によって、熱交換器１３８（任意選択である場合もある）において加熱される。次に、加熱され圧縮後空気の流れ２３２が熱交換器１３６へ誘導され、そこでＳＣＯ２（ＳＣＯ２からタービン１１６）の流れ２１８からの熱が、圧縮後の空気流２３２へ伝達される。吐出流れ２３４は、燃焼器１５８に誘導される。燃焼器１５８は、タービン１５４のタービン入口において必要とされる温度を超えるまで圧縮後の空気流２３４の温度を上昇させる。圧縮器１５０は、タービン１５４によって動力を供給されるシャフト１５２を介して作動することができる。燃焼器１５８は、化石燃料または他の燃料タイプなどの燃料１０３の流れを受け取ることができる。燃焼器１５８は、太陽光集光装置または原子炉などを利用して作動しシステムの熱を生成することができる、あるいは一部は、廃棄物、バイオマスまたは生物由来の燃料を含めた熱の他の熱源である場合もある。燃焼器１５８からの燃焼ガスの吐出流れ２３６は、タービン１５４に誘導されてよく、そこでそれは膨張される。膨張後の高温の燃焼ガスの流れ２２０は、熱交換器１３２に誘導され、そこで上記に考察したように高温燃焼ガスからＳＣＯ２の混合後の流れ２１２に熱が伝達される。熱交換器１３２を出た後、高温燃焼ガスの流れ２４１は、熱交換器１３４に誘導され、上記で考察したように、そこで高温燃焼ガスから、ＳＣＯ２圧縮器１１０からのＳＣＯ２の吐出流れ２０８に熱が伝達される。熱交換器１３４の吐出流れ１０７は、大気へと排出されてよい。

上述の記載は、説明する目的のために提供されており、本発明を限定するものと解釈すべきではない。本発明を好ましい実施形態または好ましい方法を参照して記載してきたが、本発明で使用される言葉は、記述および例示の言葉であり、限定する言葉ではない。さらに本発明を特定の構造、方法および実施形態を参照して本明細書に記載してきたが、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある全ての構造、方法および使用法に適用されるため、本発明は、本明細書に開示される特定のものに限定されることは意図されていない。本明細書の教示の利益を有する当業者は、本明細書に記載される本発明に対して多くの修正を行うことができ、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲および精神から逸脱することなく変更を行うこともできる。

Claims (7)

1. 動力発生システム用に構成された熱交換器であって、
   ａ．第１の端部と、所定の軸方向に沿って前記第１の端部と対向する第２の端部とを含む少なくとも１つのプレートアセンブリであって、各プレートアセンブリは複数のプレートを含むものであり、前記複数のプレートの各々のプレートは前記所定の軸方向に直交する横方向に沿って互いに積層されているものであり、前記少なくとも１つのプレートアセンブリは、第１の流れ形状部と、前記第１の流れ形状部から分離された第２の流れ形状部とを画定し、前記第１および第２の流れ形状部は前記第１の端部から前記第２の端部まで延在し、当該プレートアセンブリを通して第１および第２の流体をそれぞれ誘導するものである、前記少なくとも１つのプレートアセンブリと、
   ｂ．一対の圧縮レールを含むケーシングアセンブリであって、各々の圧縮レールは、第１の端部と、前記所定の軸方向に沿って前記第１の端部に対向する第２の端部とを含み、前記圧縮レールは、前記所定の軸方向に沿って前記少なくとも１つのプレートアセンブリに張力を加えるものであり、これにより、前記少なくとも１つのプレートアセンブリが少なくとも所定の温度に曝されると、前記少なくとも１つのプレートアセンブリの中の前記複数のプレートにおける各々のプレートが少なくとも部分的に前記所定の軸方向に沿って膨張し、当該少なくとも１つのプレートアセンブリに加えられた張力を低下させるようになっている、前記ケーシングアセンブリと
   を有する熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、前記少なくとも１つのプレートアセンブリは、前記所定の軸方向に沿って一方の端部から他方の端部に亘って配置された複数のプレートアセンブリである熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器において、さらに、
   前記一対の圧縮レールの前記第１の端部を互いに連結する第１の連結器アセンブリと、前記一対の圧縮レールの前記第２の端部を互いに連結する第２の連結器アセンブリとを有するものである熱交換器。
4. 請求項３に記載の熱交換器において、前記第１の連結器アセンブリは第１のプレートアセンブリの注入口端部に結合され、それにより、前記第１のプレートアセンブリに流入する流体のための注入経路が画定されるものであり、前記第２の連結器アセンブリは第２のプレートアセンブリの出口端部に結合され、それにより、前記第２のプレートアセンブリから流出する流体のための出口経路が画定されるものである熱交換器。
5. 請求項１に記載の熱交換器において、各々のプレートは内部流れチャネルを画定するものである熱交換器。
6. 請求項１に記載の熱交換器において、前記各々のプレートは前記第１の流れ形状部を画定し、前記プレート間の隙間は前記第２の流れ形状部を画定するものである熱交換器。
7. 請求項４に記載の熱交換器において、前記第１の連結器アセンブリおよび前記第２の連結器アセンブリはさらにジャッキねじを有するものであり、前記ジャッキねじは各圧縮レールの前記第１の端部および前記第２の端部に接し、それにより前記所定の軸方向に沿って前記複数のプレートアセンブリに張力を加えるものである熱交換器。

Images