JPH09170450A - コンパクトなクローズドブレイトンサイクル回転機械、この機械を含む推進システム、及びこの推進手段を備えた交通手段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトなクローズドブレイトンサイクル
回転機械、この機械を含む推進システム、及びこの推進
手段を備えた交通手段を提供する。 【解決手段】 本発明によれば、中空円筒形の全体形状
を有するボイラが、タービン／排出管路の軸セット
（４、５）と熱回収熱交換器（２）との間に同軸に挿入
されており、上流から下流まで、作動流体が熱回収熱交
換器（２）において第一の縦方向に、高温ボイラ（３）
において反対方向に、タービン／排気管路セット（４、
５）において前記第一方向に、そして熱回収熱交換器
（２）において反対方向に熱源（１０３）として循環す
るように、構成要素間を連絡する手段（１０ａ、１０
ｂ、１１ａ、１１ｂ、３２）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンパクトなクロ
ーズドブレイトンサイクル回転機械、この機械を含む推
進システム、及びこの推進手段を備えた交通手段に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】クローズドブレイトンサイクルは、以後
「作動流体」と明示することにするガス、ガス混合物、
または作動用流体が循環する一種の周知の熱力学的サイ
クルである。作動流体はクローズドサイクル中に含ま
れ、下記のステップに従う。すなわち、 − 冷たい作動流体が圧縮され、次いで − 圧縮された冷たい作動流体が熱せられ、次いで − 圧縮された熱い作動流体が膨脹され、次いで − 膨脹した熱い作動流体が再冷却され、 再冷却された作動流体は圧縮に戻され、以下同様であ
る。

【０００３】作動流体を加熱する熱源は、例えば原子
炉、または燃料または天然ガスなどが供給される燃焼炉
つきのボイラなど様々な形式にすることができる。

【０００４】作動流体の膨脹は、機械的エネルギーを回
収するようにタービンまたはその等価装置中で行われ
る。

【０００５】クローズドブレイトンサイクルタービン
は、外形寸法の問題が重大とならないいくつかの形式の
原子力発電所で使用される。さらに、これらのタービン
は、正確な発電所用の、原子炉が示す首尾一貫した熱源
と釣り合った大きな出力を有するユニットとして作られ
る。

【０００６】また、特に潜水艦や宇宙船の分野において
開発されたクローズドブレイトンサイクルタービンも周
知である。ここではまだ、ユニット生産が肝要で、この
コストは一般向きとしては手が出ないほど高い。その上
に、提案されるタービンは、常に大きな出力または外形
寸法、もしくはその両方を示す。提案されるタービン
は、構造的にはっきり分離した互いに連続または並列し
た二つの部分を含み、第一部分は作動流体の主加熱ステ
ージ（ボイラ）を、第二部分は作動流体の圧縮ステー
ジ、予熱ステージ、及び膨脹ステージを構成する。分離
したこの配置は、特にタービンの二つの部分の間におけ
る作動流体の流送管路において大きなヘッド損失を発生
させ、及びボイラ部分の構造によって、また様々な部分
の間における連絡配管に沿って逸散する熱を損失すると
いう難点がある。他方においては、周知のタービンは１
０００℃程度の高温部分の温度を有する。これでは非常
に高い熱効率を得ることはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第一の目的
は、上記の不都合を制限するクローズドブレイトンサイ
クル回転機械を提案することである。

【０００８】本発明の別の目的は、約５０，０００ｒｐ
ｍで作動し、数１０〜数１００ｋＷの出力を有し、１０
００℃以上、特に１５００℃程度の熱源温度を有するコ
ンパクトなクローズドブレイトンサイクル回転機械を提
案することである。この高い温度は、タービンの熱効率
を著しく向上させる。

【０００９】本発明の別の目的は、大きな改造を行うこ
となく多種多様の燃料を使用することができ、作動が静
かな、大気圧付近の圧力での無公害燃焼の機械を提案す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このために、本発明は、
作動流体が循環する気密回路を含むクローズドブレイト
ンサイクル回転機械であって、前記回路が、作動流体を
圧縮するためのコンプレッサと、コンプレッサの下流
に、圧縮された作動流体を予熱するため中空円筒形熱回
収熱交換器と、熱回収熱交換器の下流に、予熱された圧
縮作動流体を高温に熱するための高温ボイラと、高温ボ
イラの下流に、タービンを横切る圧縮された高温作動流
体の膨脹によってエネルギーを発生させる機械的エネル
ギー発生タービンと、前記タービンの下流及び軸延長上
に、膨脹した高温作動流体の排気管路とを含み、膨脹し
た高温作動流体が熱回収熱交換器の熱源となる、クロー
ズドブレイトンサイクル回転機械に関するものである。

【００１１】本発明によれば、ボイラは中空円筒形の全
体形状を有し、タービンと排気管路を含む軸セットと熱
回収熱交換器との間に同軸に挿入されている。

【００１２】前記特徴と組み合わせて、本発明による機
械は、上流から下流まで作動流体が、熱回収熱交換器に
おいては第一の縦方向に、高温ボイラにおいては反対方
向に、タービン／排気管路セットにおいては前記第一方
向に、そして熱回収熱交換器においては反対方向に熱源
として循環するように、構成要素間の連絡手段を含む。

【００１３】高温ボイラは、予熱された圧縮作動流体の
縦循環配管が横断する半径方向厚みを有する中空円筒形
放熱体と、前記配管中を循環する予熱された圧縮作動流
体を高温に加熱するための高温源発生手段を含み、前記
横断配管は、上流では、予熱された圧縮作動流体をボイ
ラに供給する放射状供給手段によって熱回収熱交換器に
連結され、下流では、圧縮された高温作動流体を分配す
る放射状分配手段によってタービンの入口に連結されて
いる。

【００１４】タービンは向心半径流ロータを有する半径
流タービンである。

【００１５】本発明の第一実施態様では、高温源発生手
段は、放熱体の半径方向厚み中に空けた縦中ぐり中に置
かれた縦輻射管を有する、作動流体気密回路とは独立し
た燃焼回路と、縦輻射管における引火性混合物ディスト
リビュータと、引火性混合物の燃焼によって発生する燃
焼ガスを排出する排出手段とを含む。

【００１６】第二実施態様では、高温源発生手段は、放
熱体の半径方向厚み中に空けた縦火炎管を有する、作動
流体気密回路とは独立した燃焼回路と、火炎管における
引火性混合物ディストリビュータと、引火性混合物の燃
焼によって発生する燃焼ガスを排出する排出手段とを含
む。

【００１７】この実施態様では、放熱体における作動流
体の循環方向は、引火性混合物の循環方向と同じであ
る。

【００１８】熱回収熱交換器は、中空円筒形の全体形状
を有し、この半径方向厚み中には、互いに気密になった
少なくとも２セットの縦循環経路が設けられ、第一セッ
トの経路は、上流ではコンプレッサの出口に、そして下
流では予熱された圧縮作動流体の配管の放射状供給手段
に連結され、第二セットの経路は、上流では膨脹した高
温作動流体の排気管路の出口に、そして下流では冷却器
に連結されている。

【００１９】第一変形実施形態では、熱回収熱交換器
は、回転機械の軸延長上に来る末端環状熱交換器を含
み、この交換器は、加熱する引火性混合物に必要な空気
の通路を目的とする放射状空間と交互になった燃焼ガス
排出手段の一部を成す空間を含む。

【００２０】第二変形実施形態では、熱回収熱交換器
は、他の縦循環経路セットに対して気密の第三セットの
縦循環経路を含み、第三セットの各経路は、引火性混合
物の燃焼によって発生する燃焼ガスの排出手段の一部を
成す。

【００２１】第二変形実施態様では、火炎管は等配分放
射列別に配置され、燃焼ガス排出手段は、放熱体の下流
に位置する対象放射列の火炎管に共通の、各放射列のた
めの放射状コレクタを含み、各放射状コレクタは、放熱
体の上流に向かって排出ガスの戻り同軸クラウン中に通
ずる少なくとも一つの放射端部を有し、前記戻りクラウ
ンは第三セットの経路中に通じている。

【００２２】どの変形実施態様においても、高温ボイラ
は、外部側壁、内部側壁、環状横断ベース、及び平面横
断ベースを含む断熱囲いを有する。

【００２３】高温ボイラの外部側壁は、熱回収熱交換器
の内部側壁を構成し、高温ボイラと第一セットの経路の
上流との間に放射状連絡オリフィスを有する。

【００２４】高温ボイラの内部側壁は、排気管路の側壁
とタービンの固定子を構成し、高温ボイラとタービンの
入口との間の放射状連絡開口を有する。

【００２５】環状横断ベースは、タービンの外部囲いと
共に、排気管路と第二セットの経路の上流との間に放射
状通路を形成する。

【００２６】ボイラの断熱囲い、及び／または放熱体、
及び／または半径流タービンロータは、炭素を含む材料
でできている。

【００２７】ボイラの断熱囲い、及び／または放熱体
の、及び／または放射状タービンロータの酸化性雰囲気
と接触する高温部分は、酸化防止被覆材によって被覆さ
れている。

【００２８】ボイラの断熱囲いは、断熱材料のための充
填スペースを規定する二重隔壁式であると有利である。

【００２９】断熱スペースは、高温ボイラ中の作動流体
の圧力に近い圧力で不活性ガスを含むと有利である。

【００３０】平面横断ベースは、タービンロータの軸の
ための横断軸通路を含む。

【００３１】コンプレッサは半径流遠心ロータ式で、ロ
ータはボイラの囲いの外部に取り付けられ、タービンの
軸に固く取り付けられている。

【００３２】本発明による機械は、第二セットの経路の
下流とコンプレッサ入口との間に取り付けられた、熱回
収熱交換器を出る膨脹作動流体の冷却器を含む。

【００３３】本発明による機械は交流発電機を駆動す
る。

【００３４】したがって、冷却器が中空円筒形状を呈
し、第二セットの経路の下流の縦延長上に位置し、交流
発電機が冷却器と同軸に冷却器中央空間に配置されてい
ると有利である。

【００３５】一実施態様では、交流発電機は、ボイラの
囲いの外部、及び前記平面横断ベースとコンプレッサと
の間に配置される。したがって、コンプレッサとタービ
ンは交流発電機の両側に配置される。

【００３６】別の実施態様では、ボイラの囲いの外部に
取り付けられた半径流遠心ロータは、高温ボイラの平面
横断ベースの近くにあり、この高温ボイラの平面横断ベ
ースは、コンプレッサ出口と第一セットの経路の上流と
の間の放射状連絡手段を構成する一部分である。したが
って、コンプレッサとタービンは交流発電機の同じ側に
取り付けられている。

【００３７】どちらの実施態様でも、軸受と共通軸の軸
止めは交流発電機中に位置している。図の場合には、コ
ンプレッサとタービンは突出して取り付けられ、軸受と
軸止めは機械の低温部分中に位置している。

【００３８】また本発明は、上記の回転機械を含む推進
システムにも関する。

【００３９】交流発電機は、推進用電動機に直接または
間接に供給される電気を発生する。

【００４０】最後に本発明は、上に定義したような推進
システムを備える交通手段に関するものである。

【００４１】本発明の第一組の利点は、回転機械の構成
要素の特有な配置に起因するものである。この配置によ
って、機械の軸方向長の著しいコンパクト化と、機械の
全体寸法の著しい小型化、種々の構成要素の間の作動流
体連絡流路の減少、及びこれに伴うこれらの流路に発生
するヘッド損失の減少、及びボイラ構造によって発散さ
れる熱の熱回収熱交換器における利用による、熱損失の
減少が可能になる。

【００４２】提案される第二実施態様では、タービンと
コンプレッサの配置によって、いくつかの隔壁の両側の
圧力の差を減らして、気密性損失の危険を減らすことが
できる。すなわち、コンプレッサへの作動流体の吸気が
大気圧で行われると有利で、この結果、コンプレッサの
吸気側と外部との間に圧力差がなく、コンプレッサの出
口はボイラと共通の隔壁を有するか、またはコンプレッ
サ出口の圧力は、ボイラ及びタービン入口における圧力
とほぼ同じであり、前述のように圧力差はほとんどゼロ
であり、二重隔壁式ボイラの実施態様では、その結果で
きる断熱材を含むスペースは、ボイラの圧力で保護用不
活性ガスで充填され、前述のように圧力差はほとんどゼ
ロになる。不活性ガスは作動流体と同じものであると有
利である。

【００４３】保護用不活性ガスの閉じ込めは二重隔壁の
外部隔壁中で行われ、この外部隔壁は適当な温度（≦１
０００℃）を有する。

【００４４】本発明による機械は、同じ出力であるがオ
ープンサイクル式である機械と比較して静かである。こ
れは本質的に、本発明による機械がオープンサイクル機
械より少なくとも１０分の１しか空気を消費しないこ
と、及びこの空気は完全に燃焼を目的とし、ほぼ大気圧
でかつ低速で燃焼室に吸気されることによる。

【００４５】排気管路への燃焼ガスの廃棄流量は、二つ
のタービン系の間で同様に同じ比率にある。

【００４６】排気管路への燃焼ガスの速度も、クローズ
ドサイクルではオープンサイクル式に比べて非常に低
い。

【００４７】本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面
を参照して行う下記の説明によって明らかになろう。

【００４８】

【発明の実施の形態】本発明は、コンパクトなクローズ
ドブレイトンサイクル回転機械に関する。この説明にお
いて、上流及び下流という語は、対象要素中を循環する
流体の方向に関するものと理解されたい。説明では、本
発明の機械のクローズドサイクル中を循環するガスまた
はガス混合物を明示するために、作動流体という語を使
用することにする。

【００４９】本発明によるクローズドブレイトンサイク
ル回転機械は、作動流体が循環する気密回路を含み、こ
の回路は、作動流体を圧縮するためのコンプレッサ１
と、コンプレッサ１の下流に、圧縮された作動流体１０
０を予熱するため中空円筒形熱回収熱交換器２と、熱回
収熱交換器２の下流に、予熱された圧縮作動流体１０１
を高温に熱するための高温ボイラ３と、高温ボイラ３の
下流に、タービン４を横切る圧縮された高温作動流体１
０２の膨脹によってエネルギーを発生させる機械的エネ
ルギー発生タービン４と、前記タービン４の下流及び軸
延長上に、膨脹した高温作動流体１０３の排気管路５と
を含む。

【００５０】排気管路５の下流では、回路が熱回収熱交
換器２を再び通過し、ここで膨脹した高温作動流体１０
３は熱源の役目をする。

【００５１】膨脹した高温作動流体１０３は、熱回収熱
交換器２中で部分的に冷却される。熱回収熱交換器２を
出ると、部分的に冷却された膨脹した作動流体１０４は
冷却器６中に入り、この冷却器６はコンプレッサ１の入
口で回路を再度閉じ、膨脹した冷たい作動流体１０５は
コンプレッサ１に供給される。

【００５２】本発明の一特徴によれば、ボイラ３は中空
円筒形の全体形状を有し、タービン／排出管路の軸セッ
ト４、５と熱回収熱交換器２との間に同軸に挿入されて
いる。

【００５３】この的確な配置によって、回転機械の熱い
部分の軸方向長を同形式の周知の機械に対して著しく減
らすことができる。

【００５４】その上に、作動流体の流路を最適化し、連
絡管路を制限して機械の全体寸法を減らすために、本発
明による回転機械は、上流から下流まで作動流体が、熱
回収熱交換器２において第一の縦方向に、高温ボイラ３
において反対方向に、タービン／排気管路セット４、５
において前記第一方向に、そして熱回収熱交換器２にお
いて反対方向に熱源として循環するように、構成要素間
を連絡する手段を含む。

【００５５】換言すれば、圧縮された作動流体１００は
熱回収熱交換器２中を循環して予熱され、熱回収熱交換
器２の出口に達し、予熱された圧縮作動流体１０１は１
８０°方向変換して、高温ボイラ３の内部を反対方向に
引き返し、高温ボイラ３の出口に達し、高温の圧縮作動
流体１０２は１８０°方向変換して、タービン４と排気
管路５中を通過して最初の方向に引き返し、最後に排気
管路５の終端に達し、高温の膨脹作動流体１０３は１８
０°方向変換して、熱回収熱交換器中を熱源として反対
方向に戻る。

【００５６】高温ボイラ３は、予熱された圧縮作動流体
１０１の縦循環配管８が横断する半径方向厚みを有する
中空円筒形放熱体７と、配管８中を循環する予熱された
圧縮作動流体１０１を高温に加熱するための高温源発生
手段９を含む。

【００５７】横断配管８は、上流では、予熱された圧縮
作動流体１０１を高温ボイラ３に供給する放射状供給手
段１０ａ、１０ｂによって熱回収熱交換器２に連結さ
れ、下流では、圧縮された高温作動流体１０２を分配す
る放射状分配手段１１ａ、１１ｂによってタービン４の
入口に連結されている。

【００５８】放射状供給手段は、例えば、熱回収熱交換
器２を配管８の上流に配置された環状供給要素１０ｂに
連結する放射状オリフィス１０ａを含むことができる
（図１）。

【００５９】同様に、圧縮された高温作動流体１０２を
分配する放射状分配手段は、例えば、配管８の下流に配
置された収集環１１ｂと、この収集環をタービン４の入
口に連結する放射状スロット１１ａを含むことができる
（図１）。

【００６０】放射状スロット１１ａは、高温圧縮作動流
体をタービンロータ中に最適の方法で方向付けすること
を目的とする案内羽根を含むと有利である。

【００６１】図１に示す実施態様では、タービン４は向
心半径流ロータ１２を有する半径流タービンである。し
かし、５００ｋＷ以上の出力については、一段または多
段軸流タービンを使用することが有利となり得る。

【００６２】高温源発生手段９は、作動流体気密回路と
は独立した燃焼回路を含む。

【００６３】図示されている実施態様では、燃焼回路
は、放熱体７の半径方向厚み中に空けた縦火炎管１３
と、火炎管１３における引火性混合物２００ディストリ
ビュータ１４と、引火性混合物２００の燃焼によって発
生する燃焼ガス２０１を排出する排出手段１５とを含
む。

【００６４】放熱体７中では、予熱された圧縮作動流体
１０１または高温圧縮作動流体１０２の循環方向が引火
性混合物２００の循環方向と同じであると有利である。

【００６５】図示されていない他の実施形態では、燃焼
回路は、放熱体の半径方向厚み中に空けた縦中ぐり中に
置かれた縦輻射管と、縦輻射管における引火性混合物デ
ィストリビュータと、引火性混合物の燃焼によって発生
する燃焼ガスを排出する排出手段とを含む。輻射管の周
知の作動原理は次の通りである。すなわち、輻射管は外
管に囲まれた内管で構成されている。内管は輻射管中へ
の引火性混合物の分配を目的とし、外管は、放熱体に対
して気密にして燃焼ガスを容し、放熱体に向けて輻射に
よって熱の移転を確実にすることを目的とする。

【００６６】図示された実施態様では、火炎管１３は等
配分放射列１６別に配置され、燃焼ガス排出手段１５
は、放熱体７の下流に位置する対象放射列１６の火炎管
１３に共通の、各放射列１６のための放射状コレクタ１
７を含み、各放射状コレクタ１７は、放熱体７の上流に
向かって排出ガス２０１の戻り同軸クラウン１９ａ、１
９ｂ中に通ずる少なくとも一つの放射端部１８を有する
（図１、図２、図４、図５、図７）。

【００６７】放熱体は、二つの戻り同軸クラウン１９
ａ、１９ｂ、すなわち中心から遠いクラウン１９ａと中
心に近いクラウン１９ｂを含む。

【００６８】図７に、本発明による放熱体７の構造を部
分断面図で示す。

【００６９】図１では、配管８は機械の寸法比になって
いない。このため、同じ縮尺になっている詳細な図２と
図３を参照するほうがよい。

【００７０】図１に示すようなディストリビュータ１４
の各々は、燃料供給管６１、空気供給管６２、及び引火
性混合物２００を形成するためのミキサ６３を含む。作
動流体の冷却器６が空気式冷却器であると有利で、引火
性混合物２００の空気は、冷却器の出口で熱い空気を採
取することによって予熱される。空気供給回路が大気圧
より僅かに高い圧力で空気を送るブロワを含むと有利で
ある。

【００７１】熱回収熱交換器２は中空円筒形の全体形状
を有し、この半径方向厚み中には、互いに気密になった
少なくとも２セットの縦循環経路が設けられている。

【００７２】第一セットの経路２０の各々は、上流では
コンプレッサ１の出口に、下流では予熱された圧縮作動
流体１０１の放射状循環配管８に連結されている。

【００７３】第二セットの経路２１の各々は、上流では
膨脹した高温作動流体１０３の排気管路５の出口に、下
流では冷却器６に連結されている。

【００７４】図に示された実施態様では、熱回収熱交換
器２は第三セットの縦循環経路を含む。

【００７５】第三セット経路２２の各々は、引火性混合
物２００の燃焼によって発生する燃焼ガス２０１の排出
手段１５の一部を成す。

【００７６】図に示された実施態様では、第三セット経
路２２の各々は戻りクラウン１９ａ、１９ｂに連結され
ている。

【００７７】図に示すような熱回収熱交換器では、経路
２０、２１、２２は熱回収熱交換器の交互区域を形成す
る。換言すれば、熱回収熱交換器の半径方向厚みは空で
あり、経路２０、２１、２２を交互に規定する複数の放
射状隔壁を含む。

【００７８】図示されていない変形実施形態では、熱回
収熱交換器は、回転機械の軸延長上に来る末端環状熱交
換器を含み、この交換器は、第二加熱に供される引火性
混合物に必要な予熱された空気の通路を目的とする放射
状空間と交互になった燃焼ガス排出手段の一部を成す放
射状空間を含む。

【００７９】高温ボイラは、外部側壁２３、内部側壁２
４、環状横断ベース２５、及び平面横断ベース２６を含
む断熱囲いを有する。

【００８０】高温ボイラの外部側壁２３は、熱回収熱交
換器２の内部側壁を構成し、それぞれが、戻りクラウン
１９ａ、１９ｂと第三セットの経路２２の供給環２９と
の間（図４の上部）、及び第一セットの経路２０の下流
と配管８の環状供給要素１０ｂの上流に配置された供給
環３０との間（図４の下部）にある放射状連絡オリフィ
ス２７、２８を有する。

【００８１】高温ボイラの内部側壁２４は、排気管路５
の側壁とタービン４の固定子を構成し、配管８の下流の
収集環１１ｂをタービン４の入口に連結する放射状スロ
ット１１ａを有する。

【００８２】環状横断ベース２５は、機械の外部囲い３
１と共に、排気管路５と第二セットの経路２２の上流と
の間に放射状通路３２を形成する。

【００８３】機械の熱い部分（＞１０００℃）、すなわ
ちボイラの断熱囲い、放熱体、タービンの固定子、及び
タービンロータが炭素を含む材料でできていることは有
利である。例えば高密度グラファイトでできている。

【００８４】高密度グラファイトは、酸化性雰囲気に置
かれない範囲内で、高温ですぐれた機械的品質を有す
る。その上に安価で加工が容易である。

【００８５】酸化の問題を回避するために、高密度グラ
ファイトを少なくとも酸化性雰囲気にさらされる部分を
ＳｉＣで被覆する。これらの部分は主に燃焼回路９であ
り、これが化学的に中性でない作動流体を選択する範囲
内では、作動流体の閉回路の熱い部分である。非限定的
な例として、高密度グラファイトをＳｉＣ（炭化珪素）
で被覆することができる。

【００８６】本発明の好ましい実施形式では、作動流体
はアルゴン形式の化学的中性のガス、または中性ガス混
合物、または等価品である。

【００８７】その結果、作動流体の循環閉回路の熱い部
分を酸化防止材で保護する必要はない。同様に、タービ
ンロータを被覆のないグラファイトで作ることができ
る。

【００８８】ボイラの断熱囲いは、断熱材５０のための
充填スペースを規定する二重隔壁にすることができる。
内部隔壁は、少なくとも上記の理由によって必要となる
部分において、酸化防止材被覆のグラファイトで作るこ
とができる。

【００８９】上記の酸化の理由から、断熱空間は、断熱
材に加えてアルゴン形式の不活性ガス５１を含むことが
できる。不活性ガス５０が高温ボイラにおける作動流体
の圧力に近い圧力を有すると有利である。この最後の特
徴によって、二重隔壁式の囲いと作動流体の閉回路との
間の気密性がこわれる危険性を制限することができる。
さらにこの技法によって、機械的応力を減少し、したが
ってもっと薄い隔壁を考えることができる。

【００９０】断熱空間における化学的中性ガスの使用に
よって、グラファイトフェルトを断熱材として使用する
ことができる。

【００９１】好ましい実施形態においてはグラファイト
は多孔質であるので、断熱空間に入れられるガス５１は
作動流体と同じである。したがってこれらのガスは同じ
で同じ圧力にあり、断熱空間から閉回路への拡散または
その逆の拡散はない。

【００９２】しかしながら、閉回路のいくつかの部分は
是非とも、断熱空間に対して完全に流体でなければなら
ない。これは、特に放射状スロット１１ａとタービンの
固定子の場合である。そのために、グラファイトを熱分
解炭素で被覆することができる。

【００９３】その上、火炎管１３への作動流体の拡散を
抑える目的で、配管８を熱分解炭素で被覆することがで
きると有利である。

【００９４】図１に示すような本発明による機械は、交
流発電機を駆動することを目的とするものである。

【００９５】図１に示す実施態様では、冷却器６は中空
円筒形状を呈し、第二セットの経路２１の下流の縦延長
上に位置し、交流発電機４０は冷却器６と同軸に、冷却
器６中央空間４１中に位置する。

【００９６】高温ボイラの囲いの平面横断ベース２６
は、タービンロータ１２の軸のための横断軸通路３３含
む。気密性がラビリンスシール（図示せず）によって保
証されると有利である。

【００９７】この気密横断軸通路３３によって、タービ
ンロータの軸によって駆動されるコンプレッサ１と交流
発電機４０を、ボイラの囲いの外に、すなわち機械の高
温部分の外に取り付けることができる。

【００９８】図１に示すコンプレッサ１は、半径流遠心
ロータ３４付きである。しかし、８００ｋＷ以上の出力
のためには、一段または多段軸流コンプレッサを使用す
ることが好ましい。

【００９９】図１に示す位置決め方式では、ロータ３４
はボイラ３の囲いの外部に取り付けられ、タービン４の
軸に固く取り付けられている。コンプレッサの入口の気
密性が軸に取り付けられたラビリンスシール（図示せ
ず）によって保証されると有利である。

【０１００】高温ボイラ３の囲いの外部に取り付けられ
たコンプレッサの半径流遠心ロータ３４は、高温ボイラ
３の平面横断ベース２６の近くにある。高温ボイラ３の
平面横断ベース２６は、コンプレッサの出口と第一セッ
トの経路２０の上流との間の放射状連絡手段の一構成部
分である。

【０１０１】タービンとコンプレッサの配置によって、
いくつかの隔壁の両側の圧力の差を減らして、気密性損
失の危険性を減少することができ、コンプレッサへの作
動流体の吸気を大気圧で行うことができ、この結果、コ
ンプレッサの吸気側と外部との間に圧力差がなく、コン
プレッサの出口はボイラと共通の隔壁を有するか、また
はコンプレッサ出口の圧力は、ボイラ及びタービンにお
ける圧力とほぼ同じであり、前述のように圧力差はほと
んどゼロである。

【０１０２】他の位置決め方式（図示せず）では、交流
発電機は、ボイラの囲いの外部、及び前記平面横断ベー
スとコンプレッサとの間に配置される。

【０１０３】交流発電機４０が、タービンの軸によって
タービンの軸の回転速度で直接駆動される高速交流発電
機であると有利である。

【０１０４】どちらの位置決め方式でも、機械の冷たい
部分に位置する交流発電機は、交流発電機／コンプレッ
サ／タービン共通軸すべてに必要な軸受けと止め具を含
む。したがって、コンプレッサとタービンは、交流発電
機の同じ側に（第一位置決め方式）、または交流発電機
の両側に（第二位置決め方式）突出する。

【０１０５】本発明はまた、上述のような回転機械を含
む推進システムにも関する。

【０１０６】交流発電機は、推進用電動機に直接または
間接に（蓄電池を介して）供給される電気を発生する。

【０１０７】最後に本発明は、上に定義したような推進
システムを備える交通手段（ビークル）に関するもので
ある。非限定的な例としてバス形式の公共の輸送車両が
ある。

【０１０８】もちろん、本発明は上記に説明し図示した
実施態様に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸
脱することなく、本発明に当業者にアクセス可能な多く
の変形を加えることができる。特に、本発明の範囲を逸
脱することなくどのような手段も等価の手段によって代
えることができる。例えば、高温源発生手段、または引
火性混合物、または使用材料を、本発明の範囲を逸脱す
ることなく変更することができる。特に、使用される炭
素を含む材料をガラス質炭素、または炭素繊維強化グラ
ファイトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転機械の概略立面図である。

【図２】図１の細部ＩＩの拡大概略図である。

【図３】図１の細部ＩＩＩの拡大概略図である。

【図４】図１における線ＩＶ−ＩＶに沿った概略部分断
面図である。

【図５】図１における線Ｖ−Ｖに沿った概略部分断面図
である。

【図６】図１における線ＶＩ−ＶＩに沿った概略部分断
面図である。

【図７】図５の拡大部分概略図である。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ２ 熱回収熱交換器 ３ 高温ボイラ ４ タービン ５ 排気管路 ６ 冷却器 ７ 放熱体 ８ 縦循環配管 ９ 高温源発生手段 １０ａ 放射状供給手段 １０ｂ 放射状供給手段 １１ａ 放射状分配手段 １１ｂ 放射状分配手段 １２ タービンロータ １３ 火炎管 １４ 引火性混合物ディストリビュータ １５ 排出手段 １６ 等配分放射列 １７ 放射状コレクタ １８ 放射端部 １９ａ 戻り同軸クラウン １９ｂ 戻り同軸クラウン ２０ 第一セットの経路 ２１ 第二セットの経路 ２２ 第三セットの経路 ２３ 外部側壁 ２４ 内部側壁 ２５ 環状横断ベース ２６ 平面横断ベース ２９ 供給環 ３０ 供給環 ３１ 機械の外部囲い ３３ 横断軸通路 ３４ 半径流遠心ロータ ４０ 交流発電機 ５０ 断熱材 ５１ 不活性ガス ６１ 燃料供給管 ６２ 空気供給管 ６３ ミキサ １００ 圧縮された作動流体 １０１ 予熱された圧縮作動流体 １０２ 圧縮された高温作動流体 １０３ 膨脹した高温作動流体 １０４ 部分的に冷却された膨脹した作動流体 １０５ 膨脹した冷たい作動流体 ２００ 引火性混合物 ２０１ 燃焼ガス

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体（１００、１０１、１０２、１
   ０３、１０４、１０５）が循環する気密回路を含む、ク
   ローズドブレイトンサイクル回転機械において、前記回
   路が、 作動流体（１０５）を圧縮するためのコンプレッサ
   （１）と、 コンプレッサ（１）の下流に、圧縮された作動流体（１
   ００）を予熱するため中空円筒形熱回収熱交換器（２）
   と、 熱回収熱交換器（２）の下流に、予熱された圧縮作動流
   体（１０１）を高温に熱するための高温（Ｈ．Ｔ．）ボ
   イラ（３）と、 高温ボイラ（３）の下流に、タービン（４）を横切る圧
   縮された高温作動流体（１０２）の膨脹によってエネル
   ギーを発生させる機械的エネルギー発生タービン（４）
   と、 前記タービン（４）の下流及び軸延長上に、膨脹した高
   温作動流体（１０３）の排気管路（５）とを含み、 膨脹した高温作動流体（１０３）が熱回収熱交換器
   （２）の熱源であり、 ボイラ（３）が、中空円筒形の全体形状を有し、タービ
   ン／排出管路の軸セット（４、５）と熱回収熱交換器
   （２）との間に同軸に挿入されており、 上流から下流まで、作動流体が熱回収熱交換器（２）に
   おいて第一の縦方向に、高温ボイラ（３）において反対
   方向に、タービン／排気管路セット（４、５）において
   前記第一方向に、かつ熱回収熱交換器（２）において反
   対方向に熱源（１０３）として循環するように、構成要
   素間の連絡手段（１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、３
   ２）を含むことを特徴とするクローズドブレイトンサイ
   クル回転機械。
2. 【請求項２】 高温ボイラ（３）が、予熱された圧縮作
   動流体（１０１）の縦循環配管（８）が横断する半径方
   向厚みを有する中空円筒形放熱体（７）と、前記配管
   （８）中を循環する予熱された圧縮作動流体（１０１）
   を高温に加熱するための高温源発生手段（９）とを含
   み、前記配管（８）が、上流では、予熱された圧縮作動
   流体（１０１）を高温ボイラ（３）に供給する放射状供
   給手段（１０ａ、１０ｂ）によって熱回収熱交換器
   （２）に連結され、下流では、圧縮された高温作動流体
   （１０２）を分配する放射状分配手段（１１ａ、１１
   ｂ）によってタービン（４）の入口に連結されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
3. 【請求項３】 タービン（４）が向心半径流ロータ（１
   ２）を有する半径流タービンであることを特徴とする請
   求項２に記載の回転機械。
4. 【請求項４】 高温源発生手段が作動流体気密回路とは
   独立した燃焼回路を含み、この燃焼回路が、放熱体の半
   径方向厚み中に空けた縦中ぐり中に置かれた輻射管と、
   輻射管における引火性混合物ディストリビュータと、引
   火性混合物の燃焼によって発生する燃焼ガスを排出する
   排出手段とを含むことを特徴とする請求項２または３に
   記載の回転機械。
5. 【請求項５】 高温源発生手段（９）が作動流体気密回
   路とは独立した燃焼回路を含み、前記燃焼回路が、放熱
   体（７）の半径方向厚み中に空けた縦火炎管（１３）
   と、火炎管（１３）における引火性混合物（２００）デ
   ィストリビュータ（１４）と、引火性混合物（２００）
   の燃焼によって発生する燃焼ガス（２０１）を排出する
   排出手段（１５）とを含むことを特徴とする請求項２ま
   たは３に記載の回転機械。
6. 【請求項６】 放熱体（７）中で、作動流体（１０１）
   の循環方向が引火性混合物（２００）の循環方向と同じ
   であることを特徴とする請求項４または５に記載の回転
   機械。
7. 【請求項７】 熱回収熱交換器（２）が中空円筒形の全
   体形状を有し、この半径方向厚み中に、互いに気密にな
   った少なくとも２セットの縦循環経路が設けられ、第一
   セットの経路（２０）の各々が、上流ではコンプレッサ
   （１）の出口に、かつ下流では予熱された圧縮作動流体
   （１０１）の循環配管（８）に連結されており、第二セ
   ットの経路（２１）の各々が、上流では膨脹した高温作
   動流体（１０３）の排気管路（５）の出口に、かつ下流
   では冷却器（６）に連結されていることを特徴とする請
   求項４から６のいずれか一項に記載の回転機械。
8. 【請求項８】 熱回収熱交換器が回転機械の軸延長上に
   来る末端環状熱交換器を含み、前記交換器が、加熱に供
   される引火性混合物に必要な空気の通路を目的とする放
   射状空間と交互になった燃焼ガス排出手段の一部を成す
   放射状空間を含むことを特徴とする請求項４から７のい
   ずれか一項に記載の回転機械。
9. 【請求項９】 熱回収熱交換器２が第三セットの縦循環
   経路を含み、第三セット経路（２２）の各々が、引火性
   混合物（２００）の燃焼によって発生する燃焼ガス（２
   ０１）の排出手段（１５）の一部を成すことを特徴とす
   る請求項７に記載の回転機械。
10. 【請求項１０】 火炎管（１３）が等配分放射列（１
    ６）別に配置され、燃焼ガス（２０１）排出手段（１
    ５）が、放熱体（７）の下流に位置する対象放射列（１
    ６）の火炎管（１３）に共通の、各放射列（１６）用の
    放射状コレクタ（１７）を含み、各放射状コレクタ（１
    ７）が、放熱体（７）の上流に向かって排出ガス（２０
    １）の戻り同軸クラウン（１９ａ、１９ｂ）中に通ずる
    少なくとも一つの放射端部（１８）を有し、前記戻り同
    軸クラウン（１９ａ、１９ｂ）が第三セットの経路（２
    ２）に連結されていることを特徴とする請求項５から９
    のいずれか一項に記載の回転機械。
11. 【請求項１１】 高温ボイラ（３）が、外部側壁（２
    ３）、内部側壁（２４）、環状横断ベース（２５）、及
    び平面横断ベース（２６）を含む断熱囲いを有し、 高温ボイラ（３）の前記外部側壁（２３）が熱回収熱交
    換器（２）の内部側壁を構成し、第一セットの経路（２
    ０）の上流の間に放射状連絡開口（２８）を有し、 高温ボイラ（３）の前記内部側壁（２４）が、排気管路
    （５）の側壁とタービン（４）の固定子を構成し、高温
    ボイラ（３）とタービン（４）の入口との間に放射状連
    絡スリット（１１ａ）を有し、 前記環状横断ベース（２５）が、機械の外部囲い（３
    １）と共に、排気管路（５）と第二セットの経路（２
    １）の上流との間に放射状通路（３２）を形成すること
    を特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の
    回転機械。
12. 【請求項１２】 ボイラの断熱囲い、及び／または放熱
    体、及び／またはタービンロータが炭素を含む材料でで
    きていることを特徴とする請求項１１に記載の回転機
    械。
13. 【請求項１３】 ボイラの断熱囲いの、及び／または放
    熱体の、及び／またはタービンロータの、酸化性雰囲気
    に触れる高温部分が、酸化防止被覆材で被覆されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の回転機械。
14. 【請求項１４】 高温ボイラ（３）の、及び／またはタ
    ービン（４）のある部分が熱分解炭素で被覆されている
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の回転機
    械。
15. 【請求項１５】 ボイラの断熱囲いが、断熱材（５０）
    用の充填スペースを規定する二重隔壁式であることを特
    徴とする請求項１１から１４のいずれか一項に記載の回
    転機械。
16. 【請求項１６】 断熱空間が、高温ボイラにおける作動
    流体の圧力に近い圧力を有する不活性ガス（５１）を含
    むことを特徴とする請求項１５に記載の回転機械。
17. 【請求項１７】 作動流体が化学的に中性のガスまたは
    ガス混合物であることを特徴とする請求項１から１６の
    いずれか一項に記載の回転機械。
18. 【請求項１８】 断熱空間の不活性ガス（５１）が作動
    流体と同じ組成を有することを特徴とする請求項１６ま
    たは１７に記載の回転機械。
19. 【請求項１９】 平面横断ベース（２６）がタービンロ
    ータの軸のための横断軸通路（３３）を含むことを特徴
    とする請求項１１から１８のいずれか一項に記載の回転
    機械。
20. 【請求項２０】 コンプレッサ（１）が半径流遠心ロー
    タ（３４）を有し、このロータ（３４）が、ボイラの囲
    いの外部に取り付けられ、タービン（４）の軸に固く取
    り付けられていることを特徴とする請求項１９に記載の
    回転機械。
21. 【請求項２１】 第二セットの経路（２１）の下流及び
    コンプレッサ（１）の上流に取り付けられた、部分冷却
    された膨脹作動流体（１０４）の冷却器（６）を含むこ
    とを特徴とする請求項７から２０のいずれか一項に記載
    の回転機械。
22. 【請求項２２】 交流発電機（４０）を駆動することを
    特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の回
    転機械。
23. 【請求項２３】 冷却器（６）が中空円筒形状を呈し、
    第二セットの経路（２１）の下流の縦延長上に位置し、
    交流発電機（４０）が冷却器（６）と同軸に冷却器
    （６）中央空間（４１）中に位置することを特徴とする
    請求項２２に記載の回転機械。
24. 【請求項２４】 交流発電機（４０）がボイラの囲いの
    外側に、平面横断ベース（２６）とコンプレッサ（１）
    との間に配置されることを特徴とする請求項２２または
    ２３に記載の回転機械。
25. 【請求項２５】 コンプレッサ（１）の半径流遠心ロー
    タ（３３）が、高温ボイラの囲いの外部に取り付けら
    れ、高温ボイラ（３）の平面横断ベース（２６）の近く
    にあり、高温ボイラ（３）の平面横断ベース（２６）
    が、コンプレッサ（１）の出口と第一セットの経路（２
    ０）の上流との間の放射状連絡手段の一構成部分である
    ことを特徴とする請求項２０から２４のいずれか一項に
    記載の回転機械。
26. 【請求項２６】 交流発電機（４０）が、交流発電機と
    コンプレッサとタービン（４）の共通軸の軸受けと止め
    具を含むことを特徴とする請求項２２から２５のいずれ
    か一項に記載の回転機械。
27. 【請求項２７】 請求項１から２６のいずれか一項に記
    載の回転機械を含む推進システム。
28. 【請求項２８】 交流発電機（４０）が推進用電動機に
    直接または間接に供給される電気を発生することを特徴
    とする請求項２７に記載のシステム。
29. 【請求項２９】 請求項２７または２８に記載の推進シ
    ステムを備えた交通手段。