特許 6959425 極低温エネルギー貯蔵システムの圧力を制御するためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6959425

(24)【登録日】2021年10月11日

(45)【発行日】2021年11月2日

(54)【発明の名称】極低温エネルギー貯蔵システムの圧力を制御するためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   F17C 7/04 20060101AFI20211021BHJP

【ＦＩ】

   F17C7/04

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2020-199442(P2020-199442)

(22)【出願日】2020年12月1日

(62)【分割の表示】特願2017-558418(P2017-558418)の分割

【原出願日】2016年5月9日

(65)【公開番号】特開2021-38852(P2021-38852A)

(43)【公開日】2021年3月11日

【審査請求日】2020年12月11日

(31)【優先権主張番号】1507836.3

(32)【優先日】2015年5月7日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508258286

【氏名又は名称】ハイヴュー・エンタープライゼズ・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】リチャード・ライリー

(72)【発明者】

【氏名】ミリアム・ズビザレタ

(72)【発明者】

【氏名】ニコラ・カステルッチ

(72)【発明者】

【氏名】ポール・クリー

【審査官】 小川 克久

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５３９０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５１９８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５１１９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５１４５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１０８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５２２４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０３２３４０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温エネルギー貯蔵システムであって、
出力部を有する少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクと、
極低温流体の流れを、前記極低温流体貯蔵タンクの前記出力部から前記極低温エネルギー貯蔵システムの排出口まで通す一次導管と、
前記極低温流体貯蔵タンクの前記出力部の下流の前記一次導管の範囲内の、前記極低温流体の流れを加圧するためのポンプと、
前記ポンプの下流の前記一次導管の範囲内の、前記加圧された極低温流体の流れを気化するための蒸発手段と、
前記蒸発手段の下流の前記一次導管の範囲内の、前記気化した極低温流体の流れを膨張させて前記気化した極低温流体の流れから仕事を抽出するための少なくとも１つの膨張ステージと、
前記一次導管からの前記極低温流体の流れの少なくとも一部分を分流して、分流された前記極低温流体の流れを前記極低温流体貯蔵タンクへ再導入するように構成された二次導管と、
前記二次導管の範囲内にある、前記分流された極低温流体の流れの流量を制御することによって前記極低温流体貯蔵タンクの内部の圧力を制御するための一次圧力制御手段と、を備え、
前記二次導管が、前記少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上の下流で前記一次導管に結合されており、さらに、
冷気エネルギーを貯蔵するための冷気庫を備える冷気リサイクルシステムと、
前記極低温流体貯蔵タンクに貯蔵するための起寒剤を生成するための液化装置と、
冷気エネルギーを、前記蒸発手段から前記冷気庫を介して前記液化装置まで運ぶために、前記冷気庫を前記蒸発手段および前記液化装置に結合する配管と、
を備えていることを特徴とする極低温エネルギー貯蔵システム。

【請求項2】

前記一次導管からの前記極低温流体の流れの少なくとも一部分を分流して、分流された前記極低温流体の流れを前記冷気リサイクルシステムに導入することにより、前記冷気リサイクルシステムの内部の圧力が上昇するように構成された三次導管と、
前記三次導管の範囲内にある、前記分流された極低温流体の流れの流量を制御することによって前記冷気リサイクルシステムの内部の圧力を制御するための二次圧力制御手段と、
をさらに備えており、
前記三次導管が、前記少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上の下流で前記一次導管に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。

【請求項3】

前記極低温流体貯蔵タンクの上部隙間から、前記蒸発手段の下流および前記冷気庫の上流の接続部における配管へ、ガスを分流するための三次導管と、
前記三次導管の内部に設けられた二次圧力制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。

【請求項4】

前記極低温流体貯蔵タンクに貯蔵するために前記液化装置によって生成された起寒剤を配送するための、前記液化装置と前記極低温流体貯蔵タンクとの間の起寒剤配送導管と、
前記冷気庫から前記液化装置へ冷気を配送するよう構成された冷気供給導管と、
前記極低温流体貯蔵タンクの上部隙間からの気体の冷気が前記液化装置へ配送されるように、前記極低温流体貯蔵タンクと前記冷気供給導管との間に結合された、移動される気体の導管と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。

【請求項5】

前記冷気リサイクルシステムは、
前記液化装置に結合される圧縮機であって、前記圧縮機は、前記極低温流体貯蔵タンクに貯蔵するために前記液化装置によって生成された起寒剤を配送するための、前記液化装置と前記極低温流体貯蔵タンクとの間の起寒剤配送導管をさらに備える、圧縮機と、
前記極低温流体貯蔵タンクの上部隙間からの気体を前記圧縮機に配送するための、前記極低温流体貯蔵タンクと前記圧縮機との間に結合された、移動される気体の導管と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。

【請求項6】

極低温エネルギー貯蔵システムにおける少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクを再加圧する方法であって、
前記極低温流体貯蔵タンクの出力部から一次導管を介して極低温流体の流れを通すステップと、
前記極低温流体の流れを、前記極低温流体貯蔵タンクの前記出力部の下流の前記一次導管の範囲内のポンプを用いて加圧するステップと、
前記加圧された極低温流体の流れを、前記ポンプの下流の前記一次導管の範囲内の蒸発手段を用いて気化するステップと、
前記気化された極低温流体の流れを、前記蒸発手段の下流の前記一次導管の範囲内の少なくとも１つの膨張ステージを用いて膨張させて仕事を抽出するステップと、
前記加圧された極低温流体の膨張した流れの少なくとも一部分を、前記一次導管から二次導管を通して分流して前記極低温流体貯蔵タンクへ再導入することにより、前記極低温流体貯蔵タンクの内部の圧力を制御するステップと、
を含み、
前記加圧された極低温流体の膨張した流れの前記少なくとも一部分は、前記少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上において膨張させられて仕事を抽出された後、前記一次導管から分流され、
さらに、前記蒸発手段から冷気リサイクルシステムの冷気庫を介して液化装置へ向けて、前記冷気庫を前記蒸発手段および前記液化装置に対して結合する配管を通して、冷気エネルギーを運ぶステップと、
前記液化装置を用いて前記極低温流体貯蔵タンクに貯蔵するための起寒剤を生成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。

【請求項7】

前記一次導管からの前記極低温流体の流れの少なくとも一部分を、分流された前記極低温流体の流れを前記冷気リサイクルシステムに導入するための三次導管を通るように分流することによって、前記冷気リサイクルシステムの内部の圧力を上昇させるステップであって、前記三次導管が、前記少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上の下流で前記一次導管に結合されている、ステップと、
前記三次導管の範囲内にある、二次圧力制御手段を用いて前記分流された極低温流体の流れの流量を制御することによって前記冷気リサイクルシステムの内部の圧力を制御するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記極低温流体貯蔵タンクの上部隙間からの気体を、三次導管を介して、前記蒸発手段の下流および前記冷気庫の上流の接続部における配管へ、分流するステップをさらに含み、
前記三次導管は、その内部に設けられた二次圧力制御手段を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。

【請求項9】

前記液化装置と前記極低温流体貯蔵タンクとの間の起寒剤配送導管を通じて、前記極低温流体貯蔵タンクに貯蔵するために、前記液化装置によって生成された起寒剤を配送するステップと、
冷気供給導管を通じて、前記冷気庫から前記液化装置へ冷気を配送するステップと、
前記極低温流体貯蔵タンクの上部隙間からの気体の冷気を、前記極低温流体貯蔵タンクと前記冷気供給導管との間に結合された移動される気体の導管を通じて、前記液化装置へ配送するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。

【請求項10】

前記液化装置と前記極低温流体貯蔵タンクとの間の起寒剤配送導管を通じて、前記極低温流体貯蔵タンクに貯蔵するために前記液化装置によって生成された起寒剤を配送するステップと、
前記極低温流体貯蔵タンクの上部隙間からの気体を、冷気リサイクルシステムの圧縮機へ、前記極低温流体貯蔵タンクと前記圧縮機との間に結合された移動される気体の導管を通じて、配送するステップと、
をさらに含み、
前記圧縮機は前記液化装置に結合されていることを特徴とする請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温エネルギー貯蔵システムおよびこれを動作させるための方法に関し、特にそのサブシステムの圧力の制御に関するものである。

【背景技術】

【0002】

極低温液体の大容量貯蔵は、加圧されて通常は１０バール未満の低い圧力に保持された絶縁容器を使用して達成される。代表例には、液化天然ガスとしての天然ガスの貯蔵と、工業用途または医療用途向けの窒素および酸素などの工業用ガスの液体の形態の貯蔵とが含まれる。

【0003】

すべての大容量の極低温貯蔵用途に共通して、消費部に流体を分配する必要がある。液化天然ガスの場合、これは、大抵はガス分配パイプラインまたは発電所である。工業用ガスの場合、これは、製造プロセスまたは瓶充填設備であり得る。

【0004】

極低温液体は、通常、消費部に流体を輸送するポンプを使用して貯蔵タンクから引き出される。ポンプによって高められる流体の圧力は、消費部によって必要とされる配送圧力によって、パイプにおける圧力降下、および流体の所望の熱力学的状態を（一般的には液相に、気液飽和曲線から離れたところに、すなわち過冷状態に）維持することなど、何らかの損失を考慮に入れて決定される。

【0005】

場合によっては、配送速度が特に低い場合には、タンクからの極低温液体の流出は、ポンプを必要とすることなく、タンクの上部隙間の圧力によって駆動され得る。

【0006】

消費部が流体を気体の形態で必要とする場合には、熱を加えることによって極低温液体を蒸発させる。

【0007】

あらゆる液体ポンプと同様に、極低温液体貯蔵システムの極低温液体配送ポンプにとって、有効吸込み圧力ヘッド（ＮＰＳＨ）が最も重要である。ＮＰＳＨは、液体がポンプの入口へ吸い込まれるときの圧力の低下を表す。液体がポンプ入口に流れ込むとき、摩擦（すなわち「大きな」）損失および部分（すなわち「小さな」）損失に関連するさらなる減圧がある。液体の一部分が気化してポンプに気泡が生じるようなことがないように、これらの圧力低下によって液体が気液飽和曲線に至らないこと、すなわち液体が過冷状態にとどまるべきであることが、あらゆるポンプシステムにとって必要である。

【0008】

液体が過冷状態に保たれていたとしても、ポンプへの入口圧力が著しく低下すると、ポンプが、意図された設計条件から離れて動作する可能性があり、システムの動作に影響を及ぼす。

【0009】

したがって、システム設計者は、圧力損失を差し引くように、タンクの流出における十分な圧力を保証するとともに、システムへのあらゆる熱の進入の明細を明らかにし、ポンプ入口における液体を過冷状態にとどめて、ポンプを、意図された設計条件の範囲内で動作させなければならない。タンクの流出における圧力は、液柱の高さによる静圧と、タンクの上部隙間における蒸気圧の和に等しい。

【0010】

タンク内の液位が降下すると静圧も降下する。その上、上部隙間の蒸気が膨張して液体の上の容積を満たし、上部隙間の圧力が降下する。ポンプ入口において最低限必要な圧力を維持するために、タンクの上部隙間の圧力を制御する必要がある。

【0011】

極低温貯蔵タンクの上部隙間は、より多くの気体を導入することにより、圧力が制御され得る。大容量の極低温液体貯蔵の現況技術によれば、追加気体は、流体（たとえば気体）の外部供給源に由来するものでよく、またはタンクに貯蔵され、次いでタンクから放出される流体の一部分でもよい。この部分は蒸発し、後に極低温貯蔵タンクの最上部へ再導入され戻される。

【0012】

特許文献１は現況技術を例示し、液化天然ガス（ＬＮＧ）を貯蔵するためのシステムを説明しており、このシステムでは、極低温ポンプの流出から、高圧液化天然ガスの一部分が周囲の気化器へ分流され、そこで蒸発させられてから、極低温タンクの上部隙間へ導入されてタンク圧力を維持する。

【0013】

別の方法は、液体のいくらかが蒸発するように、タンクへの熱の進入を可能にし、その結果、上部隙間が加圧される。断熱タンクへの熱進入の速度が遅いので、この方法は、通常、流出が非常に少ない用途に限定されている。

【0014】

特許文献２は、貯蔵中にタンクの断熱が損なわれないように制御されたやり方で、タンクへの熱の進入の加速を可能にすることにより、いくぶんより大きい流量を可能にするものである。極低温貯蔵タンクの壁を横切ってヒートパイプ（熱ブリッジ）が設けられており、それにより、伝導によって外気熱がタンクに入り得、液体の起寒剤の一部分を気化し、したがって上部隙間における所望の圧力を維持する。液体の起寒剤に伝達される熱の量を調整するために、外部の周囲空気に暴露されるヒートパイプの面積が調節され得る。この設計は、流出の低下を必要とすることなく周囲の気化器の使用を省く。しかしながら、このシステム自体が、タンクの壁を横切る制御可能なヒートパイプの付加的な複雑さを伴って特別に構築された極低温タンクの際立ったコストを表す。

【0015】

液化天然ガスの分配動作に関連した大量の液体の引出し流量のために、非常に大型で高くつく外気熱交換器が必要になることがある。特許文献３に説明されている液化天然ガス分配システムでは、液化天然ガスが高圧へとポンピングされ、熱交換器において気液飽和曲線の近くまで暖められて、液体の形態で車両の極低温燃料タンクに分配される。この文献は、暖められた液化天然ガスの一部分を熱交換器の下流へ持って行き、より低い圧力まで膨張させてタンクの最上部へ導入することによる、極低温タンクの上部隙間の制御を開示している。液体が気液飽和曲線に近い状態にあるので、一部分が気化して(flashes off)、タンクの上部隙間の蒸気圧を高める。この方法は、周囲の気化器の必要性を解消する。

【0016】

上記の方法に共通する不利益は、貯蔵タンクを加圧するために使用される起寒剤の一部分の消耗であり、起寒剤が有益に利用され得ないことを意味する。

【0017】

特許文献４および特許文献５に開示されている液体空気エネルギー貯蔵（ＬＡＥＳ）システムは、低温の液体空気と周囲空気の間の温度差および相差、または廃熱を活用して、需要が低い期間および／または過剰生産の期間にエネルギーを貯蔵し、この貯蔵されたエネルギーを、後の需要が高い期間および／または出力に制約のある期間中放出して発電することを可能にするものである。これらのシステムは、電力需要が低い期間中に空気を液化する（液化段階）ための手段と、生成された液体空気を貯蔵する（貯蔵段階）ための手段と、液体空気を加圧してから加熱してもたらされたガス状の空気を膨張させる（動力回収段階）ための一連の膨張タービンとを備える。膨張タービンは、需給間の不足を満たすために、必要なとき発電する発電機に接続されている。

【0018】

周囲空気は７９％の窒素から成る。ＬＡＥＳシステムは、窒素の供給が可能な場合には、作動流体として窒素を使用して同様に動作し得る。本発明の概念は、窒素または空気を用いて動作するＬＡＥＳシステムに適用可能である。空気の組成は、名目上大気の組成（７９％の窒素）であるが、当業者なら、本発明の基本原理は、空気の成分のいかなる特定の組成にも頼らないものであることを理解するであろう。簡潔さのために、本説明は「空気」のみを参照する。

【0019】

加えて、特許文献５は、動力回収段階中に蒸発器の液体空気によって放出される冷気を貯蔵する、高級冷気庫（ＨＧＣＳ）とも称される冷気庫の使用をさらに開示している。動力回収段階中に、液体空気が、タンクからポンピングされて蒸発器に導かれ、そこで冷たい回収流れにおける逆流するガス状の伝熱流体から熱を吸収し、ガス状の空気として出て来る。したがって逆流する気体は冷却される。冷たい回収流れにおける冷却された気体は後に冷気庫に入り、冷却された気体流で具現された冷気が貯蔵される。液化段階中に、冷気庫に貯蔵された冷気が、冷気供給流れで液化装置に運ばれ、液化装置のコンプレッサを駆動するために消費される電力量につき液化装置によって生成される液体空気の量を増加するために使用される。いくつかの実施形態では、冷気回収流れおよび／または冷気供給流れは、閉ループの中を流れる空気から形成され得る。この場合、冷気回収流れ、冷気供給流れおよび冷気庫は、今後冷気リサイクルシステムと称される。冷気リサイクルシステムの内部の伝熱特性を最適化するためには、大気圧よりも高い圧力で動作するのが好ましい。これは一般的には１０バールまでであり、それよりも高い圧力では、一般に、大容量を高圧で格納するという増加した工学的要求により、システムのコストがひどく高くつくようになる。

【0020】

液化段階中にＬＡＥＳシステムに供給されるエネルギーは、貯蔵タンクの液体空気で具現され、動力回収段階における空気の膨張で回収される。

【0021】

ＬＡＥＳシステムは、そのタンクの全容量をわずか数時間で排出するように設計され得、極低温貯蔵タンクからの流出が特に大きいことを意味する。上記で説明された現況技術は、この状況では特定の問題が生じる。タンクを加圧するために必要な蒸気の流量のために、非常に大きくて高くつく周囲の気化器または外部の気体供給部が必要とされる。その上、現況技術によってタンクを加圧するために使用される起寒剤の何らかの部分の具現されたエネルギーが浪費される。

【0022】

商業的に実現可能なエネルギー貯蔵システムの主要パラメータの１つに往復効率があり、これは、システムに入力されたエネルギーの、続く貯蔵で回収される部分を表す。プロセスの全体にわたって、失われるエネルギーを最小化するのが望ましい。

【0023】

したがって、ＬＡＥＳシステムの極低温貯蔵タンクを加圧する、液体空気で具現されたエネルギーの消耗が最小限で低コストの手段が必要である。

【0024】

上記の問題は、動力回収段階中に液位が降下したときの貯蔵タンクの圧力低下に関するものである。タンクの液位が上昇しているとき、液化ステージ中に別の問題が存在する。タンクが満たされるとき、タンクの液位が上昇して、タンクの上部隙間の気体は、占有する容積がより少なくなるので徐々に圧縮されていく。上部隙間は、タンクの中の、液体によって占有されていない残りの容積である。過大圧力の形成を回避するために、タンクの上部隙間の気体は、通常は環境にベント処理される。システムにおける潜在的に有用な圧力をベント処理することは不経済であり、したがってシステムにおける低能率を表す。

【0025】

実際は、液化用の空気を圧縮しかつ浄化するのに液化システムが必要とされる。本発明者らは、タンクの上部隙間から清浄な加圧された空気を回収することにより、液化システムにおいて加圧されかつ清浄化される大気の量が低減され得ることを理解した。

【0026】

動力回収ステージおよび液化ステージ中に、極低温エネルギー貯蔵システムの圧力変化のため他の問題が生じる。たとえば、本発明者らは、極低温エネルギー貯蔵システムの冷気リサイクルシステムにおいて、一般的な冷気庫が約マイナス１６０℃と環境温度の間で動作することを観測した。理想気体では温度と密度の間に逆相関がある。たとえば、５バールにおいて、空気の密度は、プラス１５℃よりもマイナス１６０℃では約２倍大きい。冷気庫が動力回収段階中に冷却されて蓄熱媒体の平均温度が下がるとき、気体伝熱流体の平均密度が高まる。その結果、冷気リサイクルシステムの一定の容積の範囲内の気体の一定の質量によってかかる圧力が低下する。冷気リサイクルシステムの圧力は維持されるべきである。したがって、圧力の損失をなんとかして補償する必要がある。反対に、液化段階中に、蓄熱媒体の平均温度が上昇して気体伝熱流体の平均密度が低下し、冷気リサイクルシステムの一定の容積の範囲内の圧力が上昇する。これは熱膨張として知られている。冷気リサイクルシステムは、圧力が特定の閾値を超えた場合には、ベント処理されなければならない。前述のように、ベント処理はエネルギーの浪費を表し、したがってシステムにおける低能率を表す。

【0027】

加えて、システムの小さな漏れによって、冷気リサイクルシステムの気体伝熱流体が失われることがある。これは、時間が経つにつれてシステム内部の圧力の損失をもたらす可能性があり、動作特性に悪影響が及ぶようになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0028】

【特許文献1】国際公開第２０１４／０９９２０３号パンフレット

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１３／００９８０７０号明細書

【特許文献3】米国特許第５７７１９４６号明細書

【特許文献4】国際公開第２００７／０９６６５６号パンフレット

【特許文献5】国際公開第２０１３／０３４９０８号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0029】

これらの問題に対処するために、システムの往復効率に対する影響が最小限の、極低温液体貯蔵タンクの内部の圧力およびＬＡＥＳシステムの冷気リサイクルシステムの内部の圧力を制御する手段が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0030】

本発明は、液体空気エネルギー貯蔵システムの極低温液体貯蔵タンクおよび冷気リサイクルシステムの圧力を制御するための改善された手段に関するものである。

【0031】

本発明者らは、液体空気エネルギー貯蔵システムで使用される極低温液体貯蔵タンクの内部の圧力を制御する問題は、再気化および膨張の後に、エネルギーを回収するために、極低温液体貯蔵タンクへの起寒剤の流れのほんの一部を再利用することにより、従来技術と比較して、より低コストかつより高効率で解決され得ることを理解した。この改善は、そうしなければ、タンクからの液体の流量により、タンクを再加圧するために不相応に大きく割高な周囲の気化器が必要になるような場合には特に有益である。もちろん、当業者なら自分の特別な要件に従って何らかのＬＡＥＳシステムを設計するであろうが、本発明は、タンクからの流量が１５ｋｇ／ｓ以上のシステムでは特に経済的に有益であることが判明している。

【0032】

したがって、第１の態様では、本発明によって提供される極低温エネルギー貯蔵システムは、
出力部を有する少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクと、
流体貯蔵タンクの出力部からシステムの排出口まで極低温流体の流れを通し得る一次導管と、
タンクの出力部の下流の一次導管の範囲内の、極低温流体の流れを加圧するためのポンプと、
ポンプの下流の一次導管の範囲内の、加圧された極低温流体の流れを気化するための蒸発手段と、
蒸発手段の下流の一次導管の範囲内の、気化した極低温流体の流れを膨張させて気化した極低温流体の流れから仕事を抽出するための少なくとも１つの膨張ステージと、
一次導管からの極低温流体の流れの少なくとも一部分を分流して、分流された極低温流体の流れを流体貯蔵タンクへ再導入するように構成された二次導管と、
二次導管の範囲内にある、分流された極低温流体の流れの流量を制御することによってタンクの内部の圧力を制御するための圧力制御手段と、を備え、
二次導管が、少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上の下流の一次導管に結合されていることを特徴とするものである。

【0033】

少なくとも１つの膨張ステージによって膨張した極低温流体の流れの一部分を使用して流体貯蔵タンクを再加圧することにより、システムの往復効率が改善される。詳細には、前記少なくとも１つの膨張ステージにおいて仕事が抽出される極低温流体の流れのうちいかなるものも犠牲にする必要はなく、したがって、この膨張ステージは、タンクを出る極低温流体の流れのうち実質的にすべてを受け取ってよく、したがって、タンクから流れる流体から、前記少なくとも１つの膨張ステージによって抽出され得る仕事が最大になる。たった１つの膨張ステージの後に極低温流体の流れを分流することによって、効率向上が実現される。しかしながら、複数の（またはすべての）ステージの後に流れを分流することによってさらなる効率向上が実現される。

【0034】

本発明者らは、液体空気エネルギー貯蔵システムの冷気リサイクルシステムの加圧状態を維持する問題は、再気化および膨張の後に、エネルギーを回収するために、冷気リサイクルシステムへの起寒剤の流れのほんの一部を再利用することにより、従来技術と比較して、より低コストかつより高効率で解決され得ることも理解した。

【0035】

したがって、第２の態様では、本発明によって提供される極低温エネルギー貯蔵システムは、
出力部を有する少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクと、
流体貯蔵タンクの出力部からシステムの排出口まで極低温流体の流れを通し得る一次導管と、
タンクの出力部の下流の一次導管の範囲内の、極低温流体の流れを加圧するためのポンプと、
ポンプの下流の一次導管の範囲内の、加圧された極低温流体の流れを気化するための蒸発手段と、
蒸発手段の下流の一次導管の範囲内の、気化した極低温流体の流れを膨張させて気化した極低温流体の流れから仕事を抽出するための少なくとも１つの膨張ステージと、
極低温流体貯蔵タンクに貯蔵する起寒剤を生成するための液化装置と、
冷気エネルギーを貯蔵するための冷気庫と、蒸発手段からの冷気エネルギーを、冷気庫を介して液化装置へ運ぶために、冷気庫を、蒸発手段および液化装置に結合する配管と、を備える冷気リサイクルシステムと、
一次導管からの極低温流体の流れの少なくとも一部分を分流して、分流された極低温流体の流れを冷気リサイクルシステムへ導入するように構成された二次導管と、
二次導管の範囲内にある、分流された極低温流体の流れの流量を制御することによって冷気リサイクルシステムの内部の圧力を制御するための圧力制御手段と、を備え、
二次導管が、少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上の下流の一次導管に結合されていることを特徴とするものである。

【0036】

上記で言及された極低温エネルギー貯蔵システムの排出口は、作用ガスが、それを通って、大気または前記それぞれのシステムと共同設置された別のシステム（たとえば冷凍システム、空調システム）へ排出される、それぞれのシステムの一部分を指す。

【0037】

上記で言及された圧力制御手段が備え得る弁は、前記弁と連通している流体の圧力を制御するためのものである。

【0038】

少なくとも１つの膨張ステージによって膨張された極低温流体の流れの一部分を使用して冷気リサイクルシステムを加圧することにより、システムの往復効率に対する影響が最小限になる。詳細には、前記少なくとも１つの膨張ステージにおいて仕事が抽出される極低温流体の流れのうちいかなるものも犠牲にする必要はなく、したがって、この膨張ステージは、タンクを出る極低温流体の流れのうち実質的にすべてを受け取ってよく、したがって、タンクから流れる流体から、前記少なくとも１つの膨張ステージによって抽出され得る仕事が最大になる。たった１つの膨張ステージの後に極低温流体の流れを分流することによって、効率向上が実現される。しかしながら、複数の（またはすべての）ステージの後に流れを分流することによってさらなる利益が実現される。

【0039】

その上、第１の態様と第２の態様が組み合わされてよく、第１の態様の極低温エネルギー貯蔵システムは、
冷気エネルギーを貯蔵するための冷気庫を備える冷気リサイクルシステムと、極低温流体貯蔵タンクに貯蔵する起寒剤を生成するための液化装置と、冷気エネルギーを、蒸発手段から冷気庫を介して液化装置まで運ぶために、冷気庫を蒸発手段および液化装置に結合する配管と、
一次導管からの極低温流体の流れの少なくとも一部分を分流して、分流された極低温流体の流れを冷気リサイクルシステムに導入することにより、冷気リサイクルシステムの内部の圧力が上昇するように構成された三次導管とも備え、
三次導管が、少なくとも１つの膨張ステージのうちの１つ以上の下流の一次導管に結合されていることを特徴とするものである。

【0040】

三次導管は、一次導管と二次導管の間の結合部の下流で一次導管に結合されてよく、もしくは一次導管と二次導管の間の結合部の上流に結合されてよく、または三次導管と二次導管が同一の交点において結合されてもよい。極低温流体は、下流へ行けば行くほど、その圧力が低くなることが理解されよう。二次導管および三次導管の中のすべての分流された流体の圧力は、圧力制御手段によって制御されることになり、低圧用途では、高圧用途のために極低温流体の流れの一部分が用いられる位置よりも下流の（したがってより低い圧力の）一次導管のポイントから、極低温流体の流れの一部分を用いることが好ましい。

【0041】

好ましくは蒸発手段が熱交換器を備え、これによって、起寒剤を蒸発させるのに必要な熱が別のプロセスから再利用され得る。たとえば、蒸発手段は熱交換器を備えてよく、これは、極低温エネルギー貯蔵システムの別の部分からの熱（たとえば放出時の冷気庫や、タービン、液化サブシステムのコンプレッサ、熱貯蔵からの排気）、または前記システムと共同設置された別のシステム（たとえば発電装置、製造工場およびデータセンタ）からの熱を使用して起寒剤を蒸発させるものである。

【0042】

少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクは複数の極低温流体貯蔵タンクでもよく、二次導管は、各タンクに対して直列に、並列に、または何らかの適切な配置によって結合されてよい。極低温流体貯蔵タンクのうちの１つ以上の、システムに対する接続／切離しが可能になるように、二次導管が、弁を介して各タンクに結合されてよい。

【0043】

極低温エネルギー貯蔵システムは、第１の膨張ステージの直ぐ上流の一次導管の範囲内に加熱装置をさらに備え得る。これは、システムが、膨張ステージを１つだけ、または複数備える場合であり得る。その上、少なくとも１つの膨張ステージが２つ以上の膨張ステージを備える場合には、システムは、それぞれの隣接した対の膨張ステージの間の一次導管の範囲内に加熱装置をさらに備え得る。加熱装置は、熱交換器、廃熱の発生源、加熱器、または何らかの他の適切な加熱装置でよい。

【0044】

極低温エネルギー貯蔵システムは、複数の膨張ステージを直列に備える場合には、（タンクにより近い、比較的高い圧力の）上流の膨張ステージおよび（タンクからより遠い、比較的低い圧力の）下流の膨張ステージを必然的に備えることになる。その場合、上流の膨張ステージと下流の膨張ステージの両方が、タンクから出る極低温流体の流れの実質的にすべてを受け取って、前記膨張ステージによってタンクから流れる流体から抽出され得る仕事が最大限になるように、一次導管と二次導管の間の接続部は、好ましくは下流の膨張ステージの下流にある。

【0045】

任意選択で、二次導管は、少なくとも第１の分岐部および第２の分岐部によって一次導管に接続される。この構造により、２つ以上の位置からの流れが、一次チャネルに沿って、少なくとも第１の分岐部および第２の分岐部を介して合流することが理解されよう。一機構では、第１の分岐部と一次導管の間の接続部は上流の膨張ステージと下流の膨張ステージの間にあり、第２の分岐部と一次チャネルの間の接続部は下流の膨張ステージの下流にある。これにより、一次導管からの流体が、一方が他方より高圧である２つの位置において分流され得る。以下でさらに説明されるように、これは、分流された流体に別々の圧力が必要とされる場合、または接続点において利用可能な圧力の変化に応じる場合に有効である。

【0046】

極低温エネルギー貯蔵システムが第１の膨張ステージおよび第２の膨張ステージを備える場合には、一次導管と二次導管の間の接続部は、好ましくは第２の膨張ステージの下流にある。ここで、「第１の」は、流れが遭遇する最初の膨張ステージを指定するために使用され、すなわち、第１の膨張ステージは、タンクに最も近く圧力が最高の膨張ステージである。「第２の」は、第１の膨張ステージの直ぐ下流の膨張ステージを指定するために使用される。

【0047】

その場合、二次導管が少なくとも第１の分岐部および第２の分岐部によって一次導管に接続されているのであれば、第１の分岐部と一次導管の間の接続部は、第１の膨張ステージと第２の膨張ステージの間にあり、第２の分岐部と一次チャネルの間の接続部は第２の膨張ステージの下流にある。

【0048】

任意選択で、少なくとも１つの膨張ステージが第１の膨張ステージ、第２の膨張ステージおよび第３の膨張ステージを備え、一次導管と二次導管の間の接続部は第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間にある。ここで、「第３の」は、第２の膨張ステージの直ぐ下流にある膨張ステージを指定するために使用される。

【0049】

その場合、二次導管が少なくとも第１の分岐部および第２の分岐部によって一次導管に接続されているのであれば、第１の分岐部と一次導管の間の接続部は、好ましくは第１の膨張ステージと第２の膨張ステージの間にあり、第２の分岐部と一次導管の間の接続部は、好ましくは第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間にある。第１の分岐部と一次導管の間の接続部は、代わりに第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間にあってよく、第２の分岐部と一次導管の間の接続部は、圧力要件に依拠して、第３の膨張ステージの下流にあってよいことが理解されよう。

【0050】

二次導管が第１の分岐部および第２の分岐部を備える場合には、これらの分岐部は、好ましくは、第１の分岐部および第２の分岐部を二次導管の下流端へ選択的に接続するように構成された弁手段を使用して合流する。したがって、極低温流体の流れが一次導管から分流されるポイントが、環境に依拠して切り換えられ得る。

【0051】

弁手段は弁を備え得る。

【0052】

好ましくは、極低温エネルギー貯蔵システムは、
極低温流体貯蔵タンクに対して、極低温流体貯蔵タンクの内部の圧力を制御するように結合された周囲の気化器と、
タンクの上部隙間の内部の圧力、および二次導管との交点における一次導管の内部の圧力を感知するように構成された圧力感知手段とを備え、
二次導管との交点における一次導管の内部の圧力が流体貯蔵タンクを加圧するのに不十分なときには、周囲の気化器に、極低温流体貯蔵タンクの内部の圧力を制御させるように構成されている。

【0053】

したがって、二次導管との交点における一次導管の圧力がタンクを再加圧するのに十分であれば、このシステムはタンクを再加圧し得る。二次導管との交点における一次導管の圧力がタンクを再加圧するには不十分なレベルまで降下したときには、周囲の気化器の形態の補助の圧力源が引き受けてよい。

【0054】

二次導管が第１の分岐部および第２の分岐部を備える場合、一次導管と二次導管の前述の交点（すなわち、ここには周囲の気化器の起動を始動する圧力感知手段がある）は、一次導管と、二次導管の第１の分岐部または第２の分岐部のいずれかとの交点でよいことが理解されよう。しかしながら、二次導管との交点は、このポイントにおいて第１の分岐部の方が第２の分岐部よりも圧力が高いので、好ましくは第１の分岐部である。

【0055】

圧力感知手段は、流体の圧力を測定するための圧力センサを備え得る。

【0056】

極低温エネルギー貯蔵システムは、第１の分岐部および第２の分岐部を二次導管の下流端へ選択的に接続する前述の弁手段の動作を制御するように構成された処理手段をさらに備え得る。そのような弁の目的は、二次導管の下流端を（したがってタンクを）、タンクの圧力に最も近い（しかしタンクの圧力よりも高い）圧力を有する分岐部と接続することである。任意選択で、タンクの圧力は超過圧力をベント処理する調整弁によって一定に保たれてよい。したがって、弁に対する適切な制御を達成するために、システムは、第２の分岐部との交点において一次導管の内部の第１の圧力を感知するように構成された圧力感知手段を備え得る。処理手段は、タンクを加圧するのに十分なレベルを保っている第１の圧力を供給して（タンクの圧力を感知することにより、または調整弁の構成によって、そのように決定される）、第２の分岐部を二次導管の下流端に接続する。第１の圧力がタンクを加圧するのに不十分になると、処理手段は、二次導管の下流端に対して、第２の分岐部の代わりに第１の分岐部を接続するように構成されてよい。前述の構成を伴って、第１の分岐部は第２の分岐部よりも高い圧力にあることが理解されよう。

【0057】

処理手段が備え得る制御システムは、少なくとも１つの圧力感知手段から入力（測定された圧力値）を得て、少なくとも１つの弁手段および／または少なくとも１つの圧力制御手段を前記入力の関数として制御することができる。

【0058】

任意選択で、圧力感知手段は、第１の分岐部との交点における一次導管の内部の第２の圧力および／またはタンクの上部隙間の内部の圧力を感知するようにも構成され得る。

【0059】

いずれにせよ、処理手段は、第１の圧力がタンクの上部隙間の圧力よりも高いとき、弁によって二次導管の下流端を第２の分岐部に接続し、第１の圧力がタンクの上部隙間の圧力以下であるとき、弁によって二次導管の下流端を第１の分岐部に接続するように構成され得る。

【0060】

当業者なら、この説明が、タンクの上部隙間の圧力よりも高いかまたは低い交点の圧力に言及する場合には、二次導管に位置する配管および弁手段、圧力制御手段および何らかの他の構成要素による二次導管の圧力損失を明らかにする必要があることを理解するであろう。所与の交点における圧力がタンクの上部隙間の圧力よりもわずかに高くても、二次導管に沿った圧力降下により、タンクに流れる流量が、必要な圧力を維持するには不十分なものになる可能性がある。システム設計者は、これが生じるポイントにおける相当圧を計算し、かつ／または試運転中に測定して、流量が不十分になる前に、第１の分岐部と第２の分岐部の間を切り換えるようにシステムを構成することができよう。

【0061】

したがって、システムは、一次チャネルに沿った種々のポイントにおいて極低温流体の流れの一部分を分流して、それらのポイントにおける圧力に基づいて最適なポイントを選択してよい。当業者なら、必要に応じて、２つよりも多い接続点があり得ることを理解するであろう。

【0062】

上記で説明されたのと同様に、三次導管は複数の分岐へと分割されてよい。圧力要件に従って分岐を選択するために、好ましくはさらなる弁手段および感知手段が設けられる。

【0063】

任意選択で、一次導管と二次導管の間の接続部は、加熱装置の直ぐ上流で膨張ステージの直ぐ下流にある。あるいは、一次導管と二次導管の間の接続部は、加熱装置の直ぐ下流で膨張ステージの直ぐ上流にある。したがって、システムは、分流された流れを、意図された用途のために適切な温度で供給するように構成され得る。

【0064】

任意選択で、一次導管と二次導管の間の接続部は加熱装置の上流にあり、一次導管と三次導管の間の接続部は前記加熱装置の下流にある。あるいは、一次導管と二次導管の間の接続部は加熱装置の下流にあり、一次導管と三次導管の間の接続部は前記加熱装置の上流にある。したがって、このシステムは、２つの分流された流れを別々の温度で供給するように構成され得る。

【0065】

別の好ましい実施形態では、一次導管と三次導管の間の接続部は加熱装置の直ぐ下流にあり、三次導管は蒸発器の直ぐ上流で冷気リサイクルシステムに結合されている。同じことが、三次導管がなく、二次導管が冷気リサイクルシステムに結合されている実施形態に当てはまる。したがって、極低温流体の流れの分流された部分は比較的高温であり、この熱は、システムの往復効率をさらに改善するために蒸発器／熱交換器において利用され得る。

【0066】

第３の態様で提供される、極低温エネルギー貯蔵システムにおける少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクを再加圧する方法は、
極低温流体貯蔵タンクの出力部から一次導管を介して極低温流体の流れを通すステップと、
極低温流体の流れを、タンクの出力部の下流の一次導管の範囲内のポンプを用いて加圧するステップと、
加圧された極低温流体の流れを、ポンプの下流の一次導管の範囲内の蒸発手段を用いて気化するステップと、
気化された極低温流体の流れを、ポンプの下流の一次導管の範囲内の少なくとも１つの膨張ステージを用いて膨張させて、仕事を抽出するステップと、
加圧された極低温流体の膨張した流れの少なくとも一部分を、一次導管から二次導管を通して分流して極低温流体貯蔵タンクへ再導入することにより、タンクの内部の圧力を制御するステップと、を含み、
前記加圧された極低温流体の膨張した流れの少なくとも一部分が、少なくとも１つの膨張ステージのうち１つまたは複数において膨張し、仕事を抽出された後、一次導管から分流されることを特徴とするものである。

【0067】

第４の態様で提供される、極低温流体貯蔵タンクを有する極低温エネルギー貯蔵システムの冷気リサイクルシステムを加圧する方法は、
極低温流体貯蔵タンクの出力部から一次導管を介して極低温流体の流れを通すステップと、
極低温流体の流れを、タンクの出力部の下流の一次導管の範囲内のポンプを用いて加圧するステップと、
加圧された極低温流体の流れを、ポンプの下流の一次導管の範囲内の蒸発手段を用いて気化するステップと、
気化された極低温流体の流れを、ポンプの下流の一次導管の範囲内の少なくとも１つの
膨張ステージを用いて膨張させて、仕事を抽出するステップと、
加圧された極低温流体の膨張した流れの少なくとも一部分を、一次導管から二次導管を通して分流して冷気リサイクルシステムへ導入することにより、冷気リサイクルシステムの内部の圧力を制御するステップと、を含み、
前記加圧された極低温流体の膨張した流れの少なくとも一部分が、少なくとも１つの膨張ステージのうち１つまたは複数において膨張し、仕事を抽出された後、一次導管から分流されることを特徴とするものである。

【0068】

本発明者らは、冷気リサイクルシステムおよび極低温貯蔵タンクの圧力を制御する問題を解決するために類似の原理が使用され得ることも理解した。

【0069】

したがって、本発明の第５の態様によって提供される極低温エネルギー貯蔵システムは、
流体入力から、極低温流体貯蔵タンクに貯蔵する液体の起寒剤を生成するように構成された液化装置を備え、流体入力を受け取るように構成された液化サブシステムと、
極低温流体貯蔵タンクからの液体の起寒剤を、気化された液体の起寒剤から仕事を抽出するための膨張ステージへ配送するために気化するように構成された蒸発器を備え、極低温流体貯蔵タンクから液体の起寒剤を受け取るように構成されたエネルギー回収サブシステムと、
冷気リサイクルサブシステムであって、
液化装置へ配送するように蒸発器から回収された冷気エネルギーを貯蔵するための冷気庫、ならびに
冷気庫を蒸発手段および液化装置に結合する配管を備える冷気リサイクル回路であって、この配管を通って、１つ以上の冷気供給流れが、蒸発器から冷気庫へ、冷気庫から液化装置へと、冷気エネルギーを運ぶために流れ得る冷気リサイクル回路を備える冷気リサイクルサブシステムとを備え、
ｉ． 冷気リサイクルループからの１つ以上の冷気供給流れの少なくとも一部分を分流して液化システムに導入するように構成され、配管と液化サブシステムの間に結合された圧抜き導管、および
ｉｉ． １つ以上の冷気供給流れを加圧するために、配管に流体を導入するように、配管と流体供給源の間に結合された加圧導管、の一方または両方を備えることを特徴とするものである。

【0070】

冷気リサイクルシステムと液化システムの間に圧抜き導管を設けることにより、冷気リサイクルシステムの熱膨張による圧力増加を緩和する際に解放された気体が、大気の方へ浪費されるのではなく、液化される気体を圧縮するのに必要なエネルギーの一部分を相殺するのに使用され得る。したがって、この気体を大気へベント処理することに関連した低能率が解消される。

【0071】

冷気リサイクルシステムと流体供給源の間に加圧導管を設けることにより、冷気リサイクルシステムの圧力を維持する問題が克服される。流体供給源は、極低温エネルギー貯蔵システムの外部または内部にある何らかの好都合な供給源でよい。

【0072】

圧抜き導管が設けられる場合、このシステムは、圧抜き導管の範囲内に、分流される冷気供給流れの流量を制御するための圧力制御手段をさらに備え得る。したがって、冷気リサイクルシステムの配管の内部の圧力が制御され得る。たとえば、冷気リサイクルシステムの配管の内部の圧力は、分流される冷気供給流れの流量を増減することによって増減され得る。当業者なら、冷気リサイクルシステムの配管の圧力は、熱膨張に関連した圧力上昇と一致する、冷気供給流れの分流に関連した圧力低下を与えることによって維持されることになり、逆の場合も同じであることを理解するであろう。

【0073】

加圧導管が設けられる場合、このシステムは、加圧導管の範囲内に、導入される流体の流量を制御するための圧力制御手段をさらに備え得る。したがって、冷気リサイクルシステムの配管の内部の圧力が制御され得る。たとえば、冷気リサイクルシステムの配管の内部の圧力は、導入される流体の流量を増減することによって増減され得る。当業者なら理解するように、冷気リサイクルシステムの配管の圧力は、漏れまたは温度降下による流体圧力の低下に関連した圧力低下を上回る流体の導入に関連した圧力上昇を与えることによって上昇することになろう。

【0074】

一実施形態では、極低温エネルギー貯蔵システムは極低温流体貯蔵タンクをさらに備え、極低温流体貯蔵タンクの上部隙間から冷気リサイクルシステムの配管に気体を配送するために、冷気リサイクルシステムの配管と極低温流体貯蔵タンクの間に加圧導管が結合されている。したがって、冷気リサイクルシステムはタンクからの気体を使用して加圧され得る。

【0075】

さらなる実施形態では、極低温エネルギー貯蔵システムは、極低温流体の流れを極低温流体貯蔵タンクの出力部から極低温エネルギー貯蔵システムの排出口まで通し得る一次導管をさらに備え、一次導管から冷気リサイクルシステムの配管まで気体を配送するために、冷気リサイクルシステムの配管と一次導管の間に加圧導管が結合されている。したがって、第１の実施形態に関連して説明されたように、エネルギーを回収するために、気体が再気化および膨張の後に配送されるように、冷気リサイクルシステムは、一次導管からの、好ましくは少なくとも１つの膨張ステージの下流からの気体を使用して加圧されてよい。

【0076】

もちろん、極低温エネルギー貯蔵システムは、２つの（すなわち第１および第２の）加圧導管を備えてよく、１つは、一次導管から冷気リサイクルシステムの配管まで気体を配送するために、冷気リサイクルシステムの配管と一次導管の間に結合されており、もう１つは、極低温流体貯蔵タンクの上部隙間から冷気リサイクルシステムの配管まで気体を配送するために、冷気リサイクルシステムの配管と極低温流体貯蔵タンクの間に結合されている。

【0077】

好ましくは、１つ以上の冷気供給流れの少なくとも一部分が、冷気庫から液化装置まで冷気エネルギーを運んだ後に分流されるように、液化装置の下流で冷気庫の上流において、冷気リサイクルシステムの配管に対して圧抜き導管が結合されている。したがって、冷気エネルギーの配送における冷気供給流れの有用性は、分流される前は保たれている。

【0078】

好ましくは、冷気供給流れが蒸発器から冷気庫まで冷気エネルギーを運ぶ前に、極低温流体貯蔵タンクから配送された気体が冷気供給流れに合流するように、加圧導管が、冷気リサイクルシステムの配管と極低温貯蔵タンクとを接続し、蒸発器の下流で冷気庫の上流の冷気リサイクルシステムの配管に対して結合されている。この場合、極低温貯蔵タンクからの気体は、高度の冷気を包含しているのが好ましく、したがって液化システムへ運ばれてよい。高度の冷気は、蒸発器によって供給されるものに近い温度の冷気と定義される。高度の冷気が、蒸発器によって供給される温度よりも高い温度であると、冷気を弱めることになる。好ましくは、高度の冷気は、蒸発器によって供給される温度よりもせいぜい数℃高い温度である。より好ましくは、高度の冷気は、蒸発器によって供給される温度よりも低く、蒸発器によって供給される冷気をわずかに強化するのに役立つ温度である。

【0079】

好ましくは、液化システムは、第１のコンプレッサと、第１のコンプレッサの下流の第２のコンプレッサとを備え、第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの間に空気浄化ユニットをさらに備える。その場合、第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの間で空気浄化ユニットの下流において、液化システムに対して圧抜き導管が結合されてよい。

【0080】

一実施形態では、圧力制御手段は、冷気リサイクルシステムの圧力を閾値圧力に制限するように構成されている。その場合、液化システムは、
それぞれが入口圧力を有する複数のコンプレッサと、
それぞれが入口圧力を有する複数のステージを有する多段コンプレッサとのうち１つを備えてよく、
圧抜き導管は、コンプレッサの直ぐ上流の液化システム、または閾値圧力未満で閾値圧力に最も近い入口圧力を有するコンプレッサステージに結合される。

【0081】

本発明の第６の態様によって提供される極低温エネルギー貯蔵システムは、
液体出力部および気体出力部を有する少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクと、
極低温流体貯蔵タンクに貯蔵する起寒剤を生成するための液化装置に対して結合された少なくとも１つのコンプレッサを備える液化システムと、
液化装置から流体貯蔵タンクまで起寒剤を輸送するように液化装置と極低温流体貯蔵タンクの間に結合された液体配送導管と、
起寒剤によって流体貯蔵タンクから液化システムまで移動される気体を輸送するように流体貯蔵タンクの気体出力部と液化システムの間に結合された、移動される気体の導管とを備える。

【0082】

本発明の第７の態様によって提供される極低温エネルギー貯蔵システムは、
液体出力部および気体出力部を有する少なくとも１つの極低温流体貯蔵タンクと、
極低温流体貯蔵タンクに貯蔵する起寒剤を生成するための液化装置に対して結合された少なくとも１つのコンプレッサを備える液化システムと、
液化装置から流体貯蔵タンクまで起寒剤を輸送するように液化装置と極低温流体貯蔵タンクの間に結合された液体配送導管と、
冷気庫、ならびに冷気庫から液化装置まで冷気エネルギーを運ぶために液化装置に冷気庫を結合して１つ以上の冷気供給流れを通すことができる配管が備わっている冷気リサイクル回路を備える冷気リサイクルシステムと、
起寒剤によって流体貯蔵タンクから液化システムまで移動される気体を輸送するための、流体貯蔵タンクの気体出力部と冷気リサイクルシステムの配管の間に結合された第１の移動される気体の導管、および冷気リサイクルシステムの配管と液化システムの間に結合された第２の移動される気体の導管とを備える。

【0083】

極低温流体貯蔵タンクと液化システムの間を接続することにより、起寒剤によって流体貯蔵タンクから移動される気体が、大気へ浪費されるのではなく、液化される気体を圧縮するのに必要なエネルギーの一部分を相殺するように使用され得る。

【0084】

好ましくは、第１の気体移動導管は、冷気供給流れが冷気庫から液化装置まで冷気エネルギーを運ぶ前に、極低温流体貯蔵タンクから配送された気体が冷気供給流れに合流するように、冷気庫の下流で液化装置の上流において冷気リサイクルシステムの配管に接続される。

【0085】

好ましくは、極低温貯蔵システムは、起寒剤によって流体貯蔵タンクから移動される気体の流量を制御することによって極低温流体貯蔵タンクの内部の圧力を制御するために、移動される気体の導管の範囲内に圧力制御手段をさらに備える。たとえば、極低温流体貯蔵タンクの内部の圧力は、移動される気体の流量を増減することによって増減され得る。当業者なら理解するように、タンクへの流体の導入に関連した圧力上昇と一致する、気体の移動に関連した圧力低下を与えると、タンク内の圧力が維持されることになり、逆の場合も同じである。極低温貯蔵システムが第１の気体移動導管および第２の気体移動導管を備える場合、圧力制御手段は好ましくは第１の気体移動導管の範囲内にある。

【0086】

好ましくは、液化システムは、第１のコンプレッサと、第１のコンプレッサの下流の第２のコンプレッサとを備え、第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの間に空気浄化ユニットをさらに備える。第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの間で空気浄化ユニットの下流において、液化システムに対して、移動される気体の導管が結合されてよい。

【0087】

一実施形態では、圧力制御手段は、極低温流体貯蔵タンクの圧力を閾値圧力に制限するように構成されており、液化システムは、
それぞれが入口圧力を有する複数のコンプレッサと、
それぞれが入口圧力を有する複数のステージを有する多段コンプレッサとのうち１つを備え、
移動される気体の導管は、コンプレッサの直ぐ上流の液化システム、または閾値圧力未満で閾値圧力に最も近い入口圧力を有するコンプレッサステージに結合される。

【0088】

液化システムが、（ｉ）（第５の態様により）冷気リサイクルシステムの熱膨張による圧力増加を緩和する際に放出される気体と、（ｉｉ）（第６の態様および／または第７の態様により）起寒剤によって流体貯蔵タンクから移動される気体との両方を受け取るように、第５の態様が第６の態様および／または第７の態様と組み合わされ得ることが理解されよう。

【0089】

本発明の第５の態様、第６の態様および第７の態様によれば、主空気コンプレッサおよび空気浄化ユニットが、圧縮し、かつ清浄化しなければならない周囲空気は、比例して、より小さい気体量(quantity of gas)であるため、主空気コンプレッサおよび空気浄化ユニットに必要な電気工事(electrical work)が（これらには、冷気リサイクルシステムおよび／または極低温流体貯蔵タンクから、加圧された清浄な気体の流れが供給されるので）低減される。

【0090】

第８の態様によれば、液化装置を有する液化システムと、蒸発器を有するエネルギー回収システムと、冷気庫および冷気リサイクル回路を有する冷気リサイクルシステムであって、冷気リサイクル回路が、蒸発器および液化装置に対して冷気庫を結合する配管を有する冷気リサイクルシステムとを備える極低温エネルギー貯蔵システムの冷気リサイクルシステムの圧力を制御する方法が提供され、この方法は、
冷気リサイクルシステムの、冷気庫と液化装置の間の配管を介して、冷気供給流れを通すことにより、冷気庫から液化装置まで冷気エネルギーを運び、冷気供給流れを加熱するステップと、
冷気リサイクルシステムの配管から、加熱された冷気供給流れの少なくとも一部分を、圧抜き導管を通じて分流して液化システムへ導入することにより、冷気リサイクルシステムの圧力をベント処理するステップと、を含む。

【0091】

第９の態様によれば、液化装置を有する液化システムと、蒸発器を有するエネルギー回収システムと、冷気庫および冷気リサイクル回路を有する冷気リサイクルシステムであって、冷気リサイクル回路が、蒸発器および液化装置に対して冷気庫を結合する配管を有する冷気リサイクルシステムとを備える極低温エネルギー貯蔵システムの冷気リサイクルシステムの圧力を制御する方法が提供され、この方法は、
冷気リサイクルシステムの、蒸発器と冷気庫の間の配管を介して、冷気供給流れを通すことにより、蒸発器から冷気庫へ、そして液化装置へと冷気エネルギーを運び、冷気供給流れを冷却するステップと、
加圧導管を通じて冷気リサイクルシステムの配管へ流体を導入することにより、冷気リ
サイクルシステムの圧力を増すステップと、を含む。

【0092】

第１０の態様によれば、極低温エネルギー貯蔵システムの、液体出力部および気体出力部を有する極低温流体貯蔵タンクの中の圧力を制御する方法が提供され、この方法は、
極低温流体貯蔵タンクの液体出力部からの極低温流体の流れを、一次導管を介してシステムの排出口へ通すステップと、
起寒剤を生成するための液化装置を備える液化システムにおいて空気を液化するステップと、
液化システムからの起寒剤を、第１の導管を介して極低温流体貯蔵タンクまで通すステップと、
起寒剤によって極低温流体貯蔵タンクから移動される気体を、極低温流体貯蔵タンクの気体出力部から、移動される気体の導管を通して液化システムまで輸送するステップと、を含む。

【0093】

次に、添付図面を参照しながら本発明を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0094】

【図1】本発明の第１の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図2】本発明の第２の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図3】本発明の第３の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図4】本発明の第４の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図5】本発明の第５の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図6】本発明の第６の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図7】本発明の第７の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図8】本発明の第８の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図9】本発明の第９の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図10】本発明の第１０の実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムのシステム図である。

【図11】本発明のさらなる実施形態による極低温エネルギー貯蔵システムの可能性を示すシステム図である。

【発明を実施するための形態】

【0095】

以下の説明で使用される圧力、温度および流量は、本発明を説明するように意図されたものである。当業者なら、ＬＡＥＳシステムの動力回収部分の特定の設計に依拠して、圧力、温度および流量の広範囲の可能な値が存在することを理解するであろう。

【0096】

超臨界圧では、液相と気相の間の相違は明確でない。単に分かりやすくするために、本明細書では、蒸発器の出口からの流体の状態は気相であるものとして説明する。

【0097】

本発明の第１の実施形態を示す図１は、ＬＡＥＳシステムの動力回収ユニットを説明するものである。この実施形態によれば、極低温貯蔵タンク１００の中に極低温液体が貯蔵されており、タンクの上部隙間の圧力は約８バールである。

【0098】

第１の動力回収期間中に、極低温貯蔵タンク１００に貯蔵された極低温液体が、タンク１００の下部から１００ｋｇ／ｓの速度で引き出され、極低温ポンプ２００において１００ｂａｒの圧力へポンピングされる。もたらされた高圧の極低温液体は、次いで蒸発器３００において気化され、実質的に約１５℃の温度でガス状の流れとして出て来る。前記ガス状の流れは、次いで、第１の加熱装置５０１において８０℃の温度までさらに加熱されてから、第１の膨張ステージ４０１において約３２バールの圧力まで膨張する。このとき、ガス状の流れの温度は約０℃であり、第２の加熱装置５０２において８０℃まで再加熱されてから第２の膨張ステージ４０２に入る。ガス状の流れは約１０バールの圧力および約０℃の温度で出て来る。膨張ステージ４０２の下流の（具体的には第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間の）接続点Ｐにおいて、ガス状の流れの一部分が分流されて加圧流れを形成する。

【0099】

ガス状の流れの残りの流量は、（動力回収段階の間の）平均で、分流される以前の元のガス状の流れの流量の約９８％である。この残りは、第３の加熱装置５０３において８０℃まで再加熱されてから第３の膨張ステージ４０３に入り、約４バールの圧力および約０℃の温度で出て来る。ガス状の流れの残りは、第４の加熱装置５０４において８０℃まで再加熱されてから第４の膨張ステージ４０４に入り、ここでほぼ周囲の圧力まで膨張してから大気へ排気される。この場合、接続点Ｐは、第３の加熱装置５０３の直ぐ上流（第２の膨張ステージ４０２と第３の加熱装置５０３の間）にある。

【0100】

第１の膨張ステージ４０１、第２の膨張ステージ４０２、第３の膨張ステージ４０３、および第４の膨張ステージ４０４においてガス状の流れが膨張することによって生成された仕事が電気エネルギーに変換されるように、第１の膨張ステージ４０１、第２の膨張ステージ４０２、第３の膨張ステージ４０３、および第４の膨張ステージ４０４は発電機に対して機械的に結合されている。

【0101】

加圧流れの流量は、平均して、分流する以前の元のガス状の流れの流量の約２％である。加圧流れは、圧力制御手段６００を介して極低温貯蔵タンク１００の上部隙間に接続される。圧力制御手段６００は、極低温タンクの上部隙間の圧力を８バールにおいて一定に調整するように構成されている。

【0102】

第２の動力回収期間中、システムの出力は、電気的負荷の変化に応答して（当技術分野で既知の技術により）極低温ポンプの排出圧力を約４８バールまで低下させることにより、最大出力の約８５％まで低下される。タンク１００からの液体の流出速度は約８５ｋｇ／ｓまで降下し、再加熱する温度は同一のままである。このとき第２の膨張ステージ４０２からの出口圧力は約８．５バールである。

【0103】

この第２の動力回収期間中は、タンクからの流出速度が第１の動力回収期間中よりも小さく、加圧流れの必要な流量もより少ない。加圧流れがガス状の流れから分流されるので、タンクからの液体の流出の流量と加圧流れの流量の比は、動力回収の第１の期間中と第２の期間中で、ほぼ同一である。

【0104】

第２の動力回収期間中に、加圧流れにおいて利用可能な圧力が、タンク１００の圧力に近づいていることが理解されよう。したがって、このシステムは限界に近づいており、限界を超えると、圧力差によって、蒸気が、タンク１００から第２の膨張ステージ４０２の下流の接続点Ｐへ逆流することになるので、タンク１００を加圧することはもはや不可能である。逆止弁手段を追加すれば逆流を防止し得るが、ガス状の流れからタンク１００を加圧することは不可能であろう。有利には、システムにおける接続点Ｐは、システムに必要とされる出力の全体の範囲にわたって最低限必要なタンク圧力よりも高い圧力にとどまるポイントに設けられる。このポイントは種々のシステムパラメータに依拠するものであり、当業者によって特定の環境に適するように調整されてよい。

【0105】

あるいは、システムは、動力回収ユニットが動作していないときＬＡＥＳ貯蔵段階中にタンクの上部隙間の圧力を維持するようにタンクに結合された小さな周囲の気化器をさらに備え得る。この場合、動力回収期間中に接続点Ｐにおける圧力がタンクの圧力未満に降下するとき、タンクからの流出がより少なくなるので、タンクの上部隙間の圧力を出力範囲の下限(lower end)に維持するために、小さな周囲の気化器を使用するのが実用的であり得る。当業者なら理解するように、これを達成するために適切な感知手段および制御手段が用意され得る。

【0106】

低い圧力では液化ガスの蒸発率(boil-off rate)がより低いことは、極低温液体貯蔵の技術分野において既知である。任意選択で、極低温貯蔵タンク１００の上部隙間は、貯蔵段階中には、蒸発損まで失われる(lost to boil-off)気体量を低減するために、より低い圧力（たとえば４バール）に保持されてよく、動力回収段階中には、圧力が、前述のシステムを使用して動作圧（この場合８バール）まで高められてよい。こうすると、流体を飽和曲線から遠ざけることによって過冷却する効果が得られることになり、極低温ポンプに対して、より利用可能なＮＰＳＨをもたらす。

【0107】

ポイントＰにおける圧力が極低温貯蔵タンクの必要な圧力以上であるならば、システムは任意数の膨張ステージを備えてよく、また、接続点Ｐは、１つ以上の膨張ステージの下流にあってよいことを当業者なら理解するであろう。１つの膨張ステージだけが設けられている場合、接続点Ｐは、膨張ステージの下流、すなわち膨張ステージとシステムの排出口の間にあってよい。しかしながら、その場合、システムの排出口の圧力は、極低温貯蔵タンクにおいて必要とされる圧力以上でなければならない。好ましくは、接続点Ｐは膨張ステージの直ぐ下流にあり、すなわち膨張ステージとの間にはいかなる他の構成要素もない。２つ以上の膨張ステージがある場合には、接続点Ｐは、任意の隣接した２つのステージの間、または最終ステージとシステムの排出口の間にあってよい。具体的には、接続点Ｐは、第１の膨張ステージと第２の膨張ステージの間、または第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間などにあってよい。たとえば、図１に示された実施形態では、加圧流れは第２の膨張ステージ４０２の出口から分流されているが、これは単なる例示的機構である。動力回収ユニットは、少なくとも１つである「ｎ個の」膨張ステージを有してよく、「ｎ番目の」膨張ステージの出口における圧力が極低温貯蔵タンク１００の圧力以上であるならば、加圧流れは、前記「ｎ個の」膨張ステージのうち任意のものの出口から分流されてよい。図１１は、１つ以上の「ｎ個の」膨張タービンによって形成された実施形態の一般的な表現を示すものであり、流れは「ｊ番目の」タービンの出口から分流され、ｊは１以上であってｎ以下である。

【0108】

その上、極低温貯蔵タンク１００は複数の極低温貯蔵タンクから形成されてよく、これらは、極低温ポンプ２００に対する共通接続部と、流体接続部に対して流体連通している共通ヘッダとを伴うことが理解されよう。

【0109】

図２に示される本発明の第２の実施形態は、接続点Ｐが、膨張ステージ４０２の下流（具体的には第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間）で第３の加熱装置５０３の（上流ではなく）下流（具体的には第３の加熱装置５０３と第３の膨張ステージ４０３の間）にあることを除けば第１の実施形態と同一である。第１の実施形態と比較して、加圧流れは８０℃と高温である。

【0110】

加圧流れは、より暖かければ密度がより低く、単位質量当りより大きな空間を占有し、第１の実施形態と比較して、タンクの上部隙間における同一の圧力が、より小さい気体量を使用して達成され得ることを意味する。暖かい気体の一部分がタンクの中の液体の表面に凝縮することになり、したがって、気相と平衡した飽和液の層が形成され、温度成層によって維持されることになり、上部隙間において蒸気と液体の大部分との間に障壁をもたらす。

【0111】

この方法によって、タンクのより高速の加圧も提供され、このことは、タンクの中に極低温液体がより低い圧力で貯蔵されていて、次いでその圧力が動力回収段階の開始において高められる場合に有効であり得る。任意選択で、このシステムは、より高速の開始を提供するために動力回収ユニットの起動中には第２の実施形態のやり方で動作し、次いで、圧力が、動力回収段階のために必要な動作圧まで一旦高まると、第１の実施形態のやり方で動作することになる。これは、以下で論じられる実施形態に類似のやり方で、２つの接続点を（たとえば加熱装置５０３の上流と下流に１つずつ）設けることによって達成され得る。

【0112】

図２の実施形態は図１の実施形態と同様に単なる例示であり、同じ発明が、少なくとも１つで「ｎ個の」膨張ステージを有する動力回収ユニットを用いて実施され得ることが理解されよう。「ｎ番目の」膨張ステージの出口における圧力が極低温貯蔵タンク１００の圧力以上であれば、加圧流れは、前記「ｎ個の」膨張ステージのうち任意のものの出口の下流の加熱装置から分流されてよい。

【0113】

図３に示される本発明の第３の実施形態は、タンク１００の上部隙間とガス状の流れの間の流体接続部が、１つではなく２つの接続点ＰおよびＱにおいて接続されている点を除けば、第１の実施形態と同一である。示されるように、接続点Ｑは、第１の膨張ステージ４０１と第２の膨張ステージ４０２の間にあり、接続点Ｐは、第２の膨張ステージ４０２と第３の膨張ステージ４０３の間にある。この場合、それぞれの接続点は、その接続点とともに２つの隣接したステージの間にある加熱装置の上流にある。しかしながら、接続点のうち１つまたは複数が、その接続点とともに２つの隣接したステージの間にある加熱装置の下流にあってもよい。

【0114】

接続点Ｐまたは接続点Ｑのいずれかを、圧力制御手段６００を介して、タンク１００の上部隙間に二者択一で接続するための弁手段６０１が設けられている。ＰおよびＱに接続された２つの分岐部において圧力の全領域をカバーする単一の圧力制御手段を設けるのが非実用的な環境である場合には、それぞれの分岐部に対して１つずつ、２つの圧力制御手段が使用されてもよいことを当業者なら理解するであろう。

【0115】

この第３の実施形態には、システムの電力出力が低下することによってポイントＰの圧力がタンク１００の上部隙間の圧力未満に低下すると、より高い圧力の接続点Ｑが代わりに選択され得るという利点がある。当業者なら理解するように、これを達成するために適切な感知手段および制御手段が用意され得る。しかしながら、接続点Ｐの圧力が十分な環境では、ガス状の流れから、さらなる仕事が抽出され得てから一部分が加圧流れへ分流されるように、この接続点が選択されてよい。

【0116】

すべての極低温エネルギー貯蔵システムの安全設計において普通の慣例であるように、上記すべての実施形態のタンクの中の圧力は、圧抜き弁（図示せず）を用いて、設計値を超えて上昇するのを防止され得る。

【0117】

当業者なら、前述の実施形態が本発明の実装形態を表す例示的機構でしかないことを理解するであろう。膨張ステージの数、圧力比、およびタービンの入口における温度は、特定の実装形態に依拠して変化し得るが、なお特許請求の範囲の範囲内にある設計パラメータである。その上、それぞれのタービンにおける圧力比は、ステージのすべてで同一であってもなくてもよい。同様に、それぞれの膨張ステージの入口における入口温度は同一であってもなくてもよい。

【0118】

図４には第４の実施形態が示されている。この実施形態は、追加の流体接続部Ｒが第３の膨張ステージ４０３の下流（具体的には第３の膨張ステージと第４の膨張ステージの間）に設けられていることを除けば第１の実施形態と同一であり、流体接続部Ｒによって加圧流れを供給される冷気リサイクルシステム７００は、冷気庫７０１と、蒸発器３００を通って流れる冷気回収流れ７０２と、ＬＡＥＳ充填段階（図示せず）中にＬＡＥＳシステムの液化装置に冷気を供給するための冷気供給流れ７０３とを備える。

【0119】

図４の例示的実施形態では、冷気リサイクルシステムは３．５バールの圧力に維持される。流体接続部Ｒは、冷気リサイクルシステムの圧力を維持するために使用される。冷気リサイクルシステムにおける気体の循環は送風機によって保証され得る。冷気リサイクルシステムに分流される流量は圧力制御手段６０２によって制御され、圧力制御手段６０２は、冷気リサイクルシステムの圧力が所定の閾値未満に一旦低下すると開くように構成されており、したがって冷気リサイクルシステムの圧力が所望のレベルに制御され得、たとえば小さな漏れまたは冷気リサイクルシステムの流体の平均温度が低下したときの熱収縮の影響を補償する。当業者なら理解するように、これを達成するために適切な圧力感知手段および圧力制御手段が用意され得る。

【0120】

この実施形態では、分流された起寒剤を搬送する導管と冷気リサイクルシステム７００の間の接続部は、送風機８０１の上流に設けられている。ポイントＲにおいて分流される起寒剤の部分は０℃である。冷気リサイクルシステム７００の中を循環する気体は、冷気庫７０１からほぼ常温で出て来る。分流された起寒剤が、冷気リサイクルシステム７００の中を循環する気体に軽い冷却効果を与えて、流体を循環させるのに必要な送風機８０１の仕事を低減することができるように、送風機の上流に接続部を設けるのは有益なことである。

【0121】

冷気リサイクルシステムの圧力を制御するのに必要な流量は冷気庫の容積に依拠し、冷気庫の容積は、ＬＡＥＳシステムのエネルギー容量（ＭＷｈ）および動作方式に依拠する。冷気庫が小さい場合には、極低温貯蔵タンクを加圧するために本発明を利用するのと比較して、前述のやり方で冷気リサイクルシステムを加圧することに由来するＬＡＥＳシステムからの有効なエネルギー出力の増加は小さい可能性がある。これは、冷気リサイクルの加圧流れの流量が、極低温タンクの加圧流れのより大きい流量と比較して小さいためである。

【0122】

それにもかかわらず、ＬＡＥＳシステムの全体の往復効率に寄与する利益がわずかであっても、冷気リサイクルシステムを加圧する場合には、その利益は、追加の配管および圧力制御システムの必要なインフラ構造を設けるコストに勝るものである。このことは、タンクが加圧される場合には特に当てはまるが、そのようなシステムの絶縁においても当てはまり得る。

【0123】

接続点ＲとＰは、主要な流体流れに沿った同一の接続点でよい。その場合、分流された流れは２つの個別の流れにさらに分割され、１つは極低温タンク１００の上部隙間と流体接続し、もう１つは冷気リサイクルシステム７００と流体接続する。それぞれの流れの圧力は圧力制御手段によって正確に制御される。

【0124】

図５には第５の実施形態が示されている。第５の実施形態は、接続点Ｒが、極低温貯蔵タンクの上部隙間への接続部で置換されていること、および蒸発器の下流で冷気庫７０１の上流に、冷気リサイクルシステム７００に対する接続部が設けられていること、を除けば第４の実施形態と同一である。この実施形態は、冷気リサイクルシステム７００が極低温貯蔵タンクと同じ圧力またはそれよりもわずかに低い圧力で動作する場合には特に有利である。冷気リサイクルシステム７００は、極低温タンク１００からのガス状の起寒剤を使用して加圧される。この実施形態は、動力回収段階中ばかりでなく貯蔵段階中にも冷気リサイクルシステム７００の圧力を制御するものである。この実施形態は、貯蔵段階では、システムの小さい漏れによって失われる気体を補充し得る。冷気リサイクルシステムにおける圧力を制御するために、圧力制御手段６０７が設けられている。

【0125】

この実施形態では、起寒剤の、冷気リサイクルシステム７００へ分流される部分は、約−１６０℃で極低温貯蔵タンクの上部隙間を出る。したがって、この部分で具現された冷気が、蓄熱媒体に伝達されるように、分流される部分が冷気庫７０１の直ぐ上流で冷気リサイクルシステム７００に導入されるのが有益である。

【0126】

図６には第６の実施形態が示されている。これは、以下のことを除けば第４の実施形態と同一である。第１に、第６の実施形態において接続点ＲおよびＰから分流された流体流れは、同一の圧力であるが温度が異なる。第２に、分流された起寒剤を搬送する導管と冷気リサイクルシステム７００の間の接続点は、（蒸発器３００の上流ではあるが）冷気庫７０１の下流に、しかも送風機８０１の下流に設けられている。この例示的実施形態では、冷気リサイクルシステムは約８．５バールで動作し、接続点ＰとＲはどちらも同一の膨張ステージの下流にある（この場合は第２の膨張ステージ４０２の下流にあり、すなわち、どちらも第２の膨張ステージと第３の膨張ステージの間にある）。しかしながら、接続点Ｐは加熱装置５０３の上流にあるものの、接続点Ｒは加熱装置５０３の下流にある。この場合、両方の分流された流れが約１０バールの圧力を有するが、極低温タンクの上部隙間に向かう流れの温度は０℃であるのに対し、冷気リサイクルシステムに向かう流れは８０℃である。冷気リサイクルシステム７００に、より高温の流れを補充すると、蒸発を強める可能性がある。

【0127】

説明された実施形態は、本発明の例示的機構でしかないことを理解されたい。同一の発明が、極低温タンク１００の上部隙間と主要な流量の流れにおける少なくとも第１の膨張ステージ４０１の下流のポイントの間の１つ以上の流体接続、および／または蒸発器３００の下流の主要な流量の流れと冷気リサイクルシステム７００の間の１つ以上の流体接続を有して実施され得る。すべての場合において、分流された１つ以上の流れの圧力が目標圧力以上であること、という条件がある。

【0128】

図７には本発明の第７の実施形態が示されている。第７の実施形態は、冷気リサイクルシステム７００と空気液化システムの間が接続されていることを除けば第６の実施形態と同一である。したがって、図７にさらに示される空気液化システムでは、周囲空気は、液化段階中にコンプレッサ９０１において約８バールまで圧縮されてから、空気浄化ユニット１０００において水分および他の不純物が浄化される。この清浄空気は、液化装置４０００から戻って来る空気蒸気と合流した後に、コンプレッサ９０２において約６０バールまでさらに圧縮されてから液化装置４０００に入る。空気の一部分は液化され、ポンプ２０１によって極低温貯蔵タンク１００へ送られ、一部分はコンプレッサ９０２の入口へ戻る。液化ステージ中に、冷気は、冷気供給流れ７０３によって冷気庫７０１から液化装置４０００へ配送される。冷気供給流れ７０３は約−１６０℃で液化装置４０００に入り、出るときには周囲温度に近くなっている。結果として、冷気リサイクルシステム７００における平均温度は、約−１６０℃から周囲温度まで徐々に上昇する。冷気リサイクルシステム７００の空気が膨張するとき、一部分は接続点Ｚを介して逃がされてコンプレッサ９０２の上流の空気液化システムへ導入され、ここでは処理圧力は約８バールである。冷気リサイクルループ７００の圧力が８．５バールを超えて上昇するとき、空気が、冷気リサイクルシステム７００から再循環空気コンプレッサ９０２の入口へ分流されるように、圧力制御手段６０４が用意されている。本発明のこの態様の利点は、清浄な圧縮空気がベント処理されるのではなく液化サイクルに送られ、主空気コンプレッサ９０１および空気浄化ユニット１０００の負荷が低減されることである。

【0129】

当業者には知られているように、主空気コンプレッサ９０１および再循環空気コンプレッサ９０２は、通常、多段圧縮として知られている機構における種々のステージから成るものである。したがって、再循環空気コンプレッサ９０２に対する接続点は、好ましくは、冷気リサイクルシステム７００の圧力よりも低く、それに最も近い入口圧力を有するステージの入口に設けられることになる。

【0130】

図８には本発明の第８の実施形態が示されている。これは、液化段階中に、極低温貯蔵タンクの上部隙間の圧力を制御するのに同一の原理が適用されることを除けば、第７の実施形態と同一である。したがって、極低温貯蔵タンク１００の上部隙間とコンプレッサ９０２の入口の間がさらに接続されている。液化段階中に、極低温貯蔵タンク１００が満たされるとき、タンクの液位が上昇して、タンクの上部隙間の気体は、占有する容積がより小さくなるので徐々に圧縮されていく。過大圧力の形成を回避するために、タンクの上部隙間の前記気体は、通常は環境にベント処理される。図８の実施形態は、再循環空気コンプレッサ９０２の入口に対する流体接続部を設けることにより、清浄な圧縮ガスのその部分の浪費を回避するための手段を提供するものである。主空気コンプレッサおよび空気浄化システムは比較的少量の気体を圧縮しかつ清浄化する必要があるため、このやり方で、システムの往復効率が、たとえわずかでも向上する。タンクの上部隙間の圧力を制御するために、圧力制御手段６０５が設けられている。

【0131】

図９には本発明の第９の実施形態が示されている。これは、極低温貯蔵タンクの上部隙間からの流体接続部が、再循環空気コンプレッサ９０２の入口ではなく、冷気リサイクルシステム７００の冷気供給流れ７０３に接続されていることを除けば、第８の実施形態と同一である。これにより、極低温タンクの上部隙間から放出された蒸気で具現された冷気は、図７に関連して上記で説明されたように、液化段階中に冷気リサイクルシステム７００の圧力を制御するように設けられた同一の接続部を介してコンプレッサ９０２の入口へ導入される前に、空気液化装置における冷却のために利用され得る。極低温貯蔵タンクから冷気リサイクルシステムまで移動される気体の流量を制御するために圧力制御手段６０６が設けられており、したがってタンクの上部隙間の圧力を制御する。圧力制御手段６０６は、気体が、常に、極低温貯蔵タンクから冷気リサイクルシステムへ、そして液化システムへと流れるように、極低温貯蔵タンクの上部隙間の圧力を、圧力制御手段６０４によって制御されている冷気リサイクルシステムの圧力よりもわずかに高くするように制御する。

【0132】

図１０には本発明の第１０の実施形態が示されている。これは、タンク１００の上部隙間とガス状の流れの間が、１つではなく、ＰとＱの２つの接続点において流体接続されていること、冷気リサイクルシステムとガス状の流れの間がＲとＳの２点で流体接続されていること、ならびに接続点ＰとＱの間を選択するための弁手段６０１および接続点ＲとＳの間を選択するための弁手段６０３がそれぞれ設けられていることを除けば、第９の実施形態と同一である。

【0133】

この第１０の実施形態の利点は、システムの電力出力が低下することによって、ポイントＰの圧力がタンク１００の上部隙間の圧力を下回ると、より高い圧力の接続点Ｑが代わりに選択され得、またはポイントＲの圧力が冷気リサイクルシステム７００の圧力を下回ると、より高い圧力の接続点Ｓが代わりに選択され得ることである。

【0134】

説明された実施形態は、本発明の例示的機構でしかないことを理解されたい。同一の発明が（冷気リサイクルシステムと液化システムの間の後の接続の有無に関わらず）、極低温タンクと液化システムの間の接続、冷気リサイクルシステムと液化システムの間の接続、および極低温タンクと冷気リサイクルシステムの間の接続を含む、接続の任意の組合せを使用して実施され得る。（やはり、冷気リサイクルシステムと液化システムの間の後の接続の有無に関わらず）極低温タンクと冷気庫の上流の冷気リサイクルシステムとの間の接続部、および／または極低温タンクと冷気庫の下流の冷気リサイクルシステムとの間の接続部も設けられてよい。

【0135】

本発明は、そのような変更された実施形態に関係なく、もっぱら添付の特許請求の範囲によって定義される。

【符号の説明】

【0136】

１００ 極低温貯蔵タンク
２００ 極低温ポンプ
２０１ ポンプ
３００ 蒸発器
４０１ 第１の膨張ステージ
４０２ 第２の膨張ステージ
４０３ 第３の膨張ステージ
４０４ 第４の膨張ステージ
４０ｊ ｊ番目の膨張ステージ
４０ｎ ｎ番目の膨張ステージ
５０１ 第１の加熱装置
５０２ 第２の加熱装置
５０３ 第３の加熱装置
５０４ 第４の加熱装置
５０ｊ ｊ番目の加熱装置
５０ｎ ｎ番目の加熱装置
６００ 圧力制御手段
６０１ 弁手段
６０２ 圧力制御手段
６０３ 弁手段
６０４ 圧力制御手段
６０５ 圧力制御手段
６０６ 圧力制御手段
６０７ 圧力制御手段
７００ 冷気リサイクルシステム、冷気リサイクルループ
７０１ 冷気庫
７０２ 冷気回収流れ
７０３ 冷気供給流れ
８０１ 送風機
８０２ 送風機
９０１ 主空気コンプレッサ
９０２ 再循環空気コンプレッサ
１０００ 空気浄化ユニット
４０００ 液化装置
Ｐ 接続点
Ｑ 接続点
Ｒ 流体接続
Ｚ 接続点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】