特許 7217286 超臨界二酸化炭素発電システム

(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】

(24)【登録日】2023-01-25

(45)【発行日】2023-02-02

(54)【発明の名称】超臨界二酸化炭素発電システム

(51)【国際特許分類】

   F01K 7/32 20060101AFI20230126BHJP

   F16H 1/06 20060101ALI20230126BHJP

   F16H 1/20 20060101ALI20230126BHJP

【ＦＩ】

F01K7/32

F16H1/06

F16H1/20

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020549526

(86)(22)【出願日】2018-11-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-15

(86)【国際出願番号】 KR2018013504

(87)【国際公開番号】W WO2019107786

(87)【国際公開日】2019-06-06

【審査請求日】2021-08-18

(31)【優先権主張番号】15/823,809

(32)【優先日】2017-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】10-2018-0015175

(32)【優先日】2018-02-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】520188606

【氏名又は名称】ハンファ・パワー・システムズ・カンパニー・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】カール・ウィガント

【審査官】吉田 昌弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１７２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１２４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４８－０２０３２２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１４５７５９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｋ ７／３２

Ｆ０１Ｋ １３／０２

Ｆ０１Ｋ １９／０４

Ｆ０１Ｋ ２５／１０

Ｆ０２Ｃ １／１０

Ｆ１６Ｈ １／０６

Ｆ１６Ｈ １／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体として、超臨界状態の二酸化炭素を使用する超臨界二酸化炭素発電システムにおいて、
作動流体を圧縮する第１圧縮部と、
作動流体を圧縮する第２圧縮部と、
前記第１圧縮部で圧縮された作動流体を加熱する第１再生部と、
前記第１再生部で加熱された作動流体と、前記第２圧縮部で圧縮された作動流体とを加熱する第２再生部と、
熱源で発生した熱を、前記第２再生部で加熱された作動流体に伝達するメイン熱交換部と、
前記メイン熱交換部から熱を伝達された作動流体を膨張させながら動力を生産する膨張部と、
前記膨張部で生産された動力を、前記第１圧縮部及び前記第２圧縮部に伝達する動力伝達部と、
前記動力伝達部から動力を伝達されて発電を起こす発電部と、を含み、
前記第１再生部と前記第２再生部との間の管路には、前記第２圧縮部で圧縮された作動流体と、前記第１再生部で加熱された作動流体とが合流し、弁によって構成される合流部が配置され、
前記超臨界二酸化炭素発電システムは、前記合流部を制御する制御部をさらに含み、
前記制御部は、前記合流部を制御することにより、前記第２圧縮部と前記合流部との間の管路に流れる作動流体の流量を調節することができ、前記第１再生部と前記合流部との間の管路に流れる作動流体の流量を調節することができ、前記第２再生部と前記合流部との間の管路に流れる作動流体の流量を調節することができる超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項2】

前記膨張部から出た作動流体は、前記第２再生部と前記第１再生部とにおいて、順次に熱が交換されることを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項3】

前記膨張部から出た作動流体は、
前記第２再生部において、前記第１再生部で加熱された作動流体、及び前記第２圧縮部で圧縮された作動流体と熱を交換した後、
前記第１再生部において、前記第１圧縮部で圧縮された作動流体と熱を交換することを特徴とする請求項２に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項4】

前記動力伝達部は、少なくとも１つのギア列と、前記ギア列を収容するギアボックスと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項5】

前記ギア列は、前記膨張部の回転軸から動力を伝達され、前記第１圧縮部の駆動軸、前記第２圧縮部の駆動軸、前記発電部の駆動軸に動力を伝達することを特徴とする請求項４に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項6】

前記第１圧縮部に移動する作動流体は、プレクーラによって冷却がなされることを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項7】

前記第１圧縮部は、少なくとも２個の第１圧縮器を含むことを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項8】

前記第１圧縮器間には、第１インタークーラが配置されることを特徴とする請求項７に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項9】

前記第２圧縮部は、少なくとも２個の第２圧縮器を含むことを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項10】

前記第２圧縮器間には、第２インタークーラが配置されることを特徴とする請求項９に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項11】

前記第２圧縮部と前記第１再生部との間の管路には、分岐部が配置されることを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項12】

前記分岐部を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項13】

前記第１圧縮部と前記第２圧縮部は、前記ギアボックスを挟み、互いに対向するように配置されることを特徴とする請求項４に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項14】

前記膨張部は、少なくとも２個の膨張器を含むことを特徴とする請求項１に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項15】

前記膨張器間には、少なくとも１つの再熱器が配置されることを特徴とする請求項１４に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項16】

前記ギア列は、出力ピニオンギアと、前記出力ピニオンギアから動力を伝達されるブルギアと、前記ブルギアから動力を伝達される駆動ピニオンギアとを含み、
前記膨張部の回転軸は、前記出力ピニオンギアと連結され、
前記第１圧縮部の駆動軸、及び前記第２圧縮部の駆動軸は、前記駆動ピニオンギアと連結され、
前記発電部の駆動軸は、前記ブルギアと連結されることを特徴とする請求項４に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【請求項17】

前記ギアボックスの内部に位置した単一空間に、前記ギア列が配置されることを特徴とする請求項４に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超臨界状態の二酸化炭素を作動流体にし、発電を行う発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

超臨界二酸化炭素発電システムは、臨界圧力以上の超高圧に圧縮された二酸化炭素を高温に加熱し、タービンを駆動する発電システムである。

【0003】

そのような超臨界二酸化炭素発電システムは、一般的に、ブレイトン（Brayton）サイクル方式を採用するが、発電効率が高く、熱源に対する制約が少なく、最近、活発に研究されている。

【0004】

特許文献１には、並列膨張方式のカスケードサイクルを適用する超臨界二酸化炭素発電システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】韓国特許出願公開第２０１６－０１３０５５１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

改善された構造の超臨界二酸化炭素発電システムを提供することを主な課題にする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面によれば、作動流体として、超臨界状態の二酸化炭素を使用する超臨界二酸化炭素発電システムにおいて、作動流体を圧縮する第１圧縮部と、作動流体を圧縮する第２圧縮部と、前記第１圧縮部で圧縮された作動流体を加熱する第１再生部と、前記第１再生部で加熱された作動流体と前記第２圧縮部で圧縮された作動流体とを加熱する第２再生部と、熱源で発生した熱を、前記第２再生部で加熱された作動流体に伝達するメイン熱交換部と、前記メイン熱交換部から熱を伝達された作動流体を膨張させながら動力を生産する膨張部と、前記膨張部で生産された動力を、前記第１圧縮部及び前記第２圧縮部に伝達する動力伝達部と、前記動力伝達部から動力を伝達されて発電を起こす発電部と、を含む超臨界二酸化炭素発電システムを提供する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一側面によれば、改善された構造を有する超臨界二酸化炭素発電システムを具現することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係わる超臨界二酸化炭素発電システムの構成を図示した概略的な図面である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の一側面によれば、作動流体として、超臨界状態の二酸化炭素を使用する超臨界二酸化炭素発電システムにおいて、作動流体を圧縮する第１圧縮部と、作動流体を圧縮する第２圧縮部と、前記第１圧縮部で圧縮された作動流体を加熱する第１再生部と、前記第１再生部で加熱された作動流体と、前記第２圧縮部で圧縮された作動流体とを加熱する第２再生部と、熱源で発生した熱を、前記第２再生部で加熱された作動流体に伝達するメイン熱交換部と、前記メイン熱交換部から熱を伝達された作動流体を膨張させながら動力を生産する膨張部と、前記膨張部で生産された動力を、前記第１圧縮部及び前記第２圧縮部に伝達する動力伝達部と、前記動力伝達部から動力を伝達されて発電を起こす発電部と、を含む超臨界二酸化炭素発電システムを提供する。

【0011】

ここで、前記膨張部から出た作動流体は、前記第２再生部と前記第１再生部とにおいて、順次に熱が交換されることにもなる。

【0012】

ここで、前記膨張部から出た作動流体は、前記第２再生部において、前記第１再生部で加熱された作動流体、及び前記第２圧縮部で圧縮された作動流体と熱を交換した後、前記第１再生部において、前記第１圧縮部で圧縮された作動流体と熱を交換することができる。

【0013】

ここで、前記動力伝達部は、少なくとも１つのギア列と、前記ギア列を収容するギアボックスと、を含んでもよい。

【0014】

ここで、前記ギア列は、前記膨張部の回転軸から動力を伝達され、前記第１圧縮部の駆動軸、前記第２圧縮部の駆動軸、前記発電部の駆動軸に動力を伝達することができる。

【0015】

ここで、前記第１圧縮部に移動する作動流体は、プレクーラによっても冷却がなされる。

【0016】

ここで、前記第１圧縮部は、少なくとも２個の第１圧縮器を含んでもよい。

【0017】

ここで、前記第１圧縮器の間には、第１インタークーラが配置されてもよい。

【0018】

ここで、前記第２圧縮部は、少なくとも２個の第２圧縮器を含んでもよい。

【0019】

ここで、前記第２圧縮器の間には、第２インタークーラが配置されてもよい。

【0020】

ここで、前記第２圧縮部と前記第１再生部との間の管路には、分岐部が配置されてもよい。

【0021】

ここで、前記分岐部を制御する制御部をさらに含んでもよい。

【0022】

ここで、前記第１圧縮部と前記第２圧縮部は、前記ギアボックスを挟み、互いに対向するようにも配置される。

【0023】

ここで、前記第１再生部と前記第２再生部との間の管路には、前記第２圧縮部で圧縮された作動流体と、前記第１再生部で加熱された作動流体とが合流する合流部が配置されてもよい。

【0024】

ここで、前記合流部を制御する制御部をさらに含んでもよい。

【0025】

ここで、前記膨張部は、少なくとも２個の膨張器を含んでもよい。

【0026】

ここで、前記膨張器の間には、少なくとも１つの再熱器が配置されてもよい。

【0027】

ここで、前記ギア列は、出力ピニオンギアと、前記出力ピニオンギアから動力を伝達されるブルギアと、前記ブルギアから動力を伝達される駆動ピニオンギアとを含み、前記膨張部の回転軸は、前記出力ピニオン機器と連結され、前記第１圧縮部の駆動軸、及び前記第２圧縮部の駆動軸は、前記駆動ピニオン機器と連結され、前記発電部の駆動軸は、前記ブル機器とも連結される。

【0028】

ここで、前記ギアボックスの内部に位置した単一空間に、前記ギア列が配置されてもよい。

【0029】

以下、添付された図面を参照し、望ましい実施形態による本発明について詳細に説明する。また、本明細書及び該図面において、実質的に同一構成を有する構成要素については、同一符号を使用することにより、重複説明を省略する。

【0030】

本発明による超臨界二酸化炭素発電システムは、超臨界状態である二酸化炭素を作動流体として使用するシステムを意味するが、サイクル内で流動する作動流体がいずれも超臨界状態である場合だけではなく、作動流体のほとんどが超臨界状態であり、残りは、亜臨界状態であるシステムも含む。

【0031】

また、本発明による作動流体は、二酸化炭素が使用されるが、ここで、二酸化炭素とは、純粋な二酸化炭素、不純物が若干含まれた二酸化炭素、二酸化炭素に１以上の添加物が混合されている流体なども広く含む概念である。

【0032】

図１は、本発明の一実施形態に係わる超臨界二酸化炭素発電システムの構成を図示した概略的な図面である。

【0033】

図１に図示された本実施形態による超臨界二酸化炭素発電システム１００は、第１圧縮部１１０、第２圧縮部１２０、第１再生部（regeneration part）１３０、第２再生部１４０、メイン熱交換部１５０、膨張部（expansion part）１６０、動力伝達部１７０、発電部１８０、制御部１９０を含む。

【0034】

第１圧縮部１１０は、２個の第１圧縮器１１１，１１２と、第１圧縮器１１１，１１２間に配置される第１インタークーラ１１３と、を含み、動力伝達部１７０から動力を伝達されて駆動される。

【0035】

第１圧縮器１１１，１１２は、第１管路Ｐ１から作動流体を受け、作動流体を圧縮する機能を遂行し、それぞれ遠心圧縮器として構成される。

【0036】

ここで、第１管路Ｐ１は、プレクーラＰＣ（pre-cooler）と連結されているが、プレクーラＰＣは、分岐部Ｄから出た作動流体の一部を冷却させる機能を遂行する。

【0037】

分岐部Ｄは、第２圧縮部１２０と第１再生部１３０との間の管路に配置されるが、電子制御が可能な電子式弁、または手動制御が可能な機械式弁によっても構成される。従って、制御部１９０は、分岐部Ｄを自動的に制御したり、ユーザが分岐部Ｄを手動で制御したりすることができる。分岐部Ｄは、第１１管路Ｐ１１、第１２管路Ｐ１２、第２管路Ｐ２と連結されているので、分岐部Ｄを制御することになれば、第１１管路Ｐ１１に流れる作動流体の全体的な流量を調節するだけではなく、第２管路Ｐ２と第１２管路Ｐ１２とに流れる作動流体の流量も調節することができる。

【0038】

本実施形態によれば、第１管路Ｐ１にプレクーラＰＣが連結されて配置されているが、本発明は、それに限定されるものではない。すなわち、本発明によれば、第１管路Ｐ１にプレクーラＰＣが連結されないことにもなる。

【0039】

第１圧縮器１１１，１１２間には、第１インタークーラ１１３が配置される。第１インタークーラ１１３は、第１圧縮器１１１から出た作動流体を冷却させることにより、第１圧縮部１１０の所要動力を減らす機能を遂行する。

【0040】

本実施形態によれば、第１圧縮部１１０は、２個の第１圧縮器１１１，１１２を含んでなるが、本発明は、それらに限定されるものではない。すなわち、本発明によれば、第１圧縮部が含む圧縮器の個数は、少なくとも１つであるならばよく、その圧縮器の個数には、特別な制限がない。例えば、第１圧縮部が含む圧縮器の個数は、１個、３個、４個、５個などにもなる。

【0041】

本実施形態によれば、第１圧縮部１１０は、第１インタークーラ１１３を含むが、本発明は、それに限定されるものではない。本発明による第１圧縮部は、インタークーラを含まなくともよい。

【0042】

一方、第２圧縮部１２０は、２個の第２圧縮器１２１，１２２と、第２圧縮器１２１，１２２間に配置される第２インタークーラ１２３と、を含み、動力伝達部１７０から動力を伝達されて駆動される。第１圧縮部１１０と第２圧縮部１２０は、動力伝達部１７０のギアボックス１７２を挟み、互いに対向するように配置される。

【0043】

第２圧縮器１２１，１２２は、第２管路Ｐ２から作動流体を受け、作動流体を圧縮する機能を遂行し、それぞれ遠心圧縮器として構成される。

【0044】

第２圧縮器１２１，１２２間には、第２インタークーラ１２３が配置される。第２インタークーラ１２３は、第２圧縮器１２１から出た作動流体を冷却させることにより、第２圧縮部１２０の所要動力を減らす機能を遂行する。

【0045】

本実施形態によれば、第２圧縮部１２０は、２個の第２圧縮器１２１，１２２を含んでなるが、本発明は、それらに限定されるものではない。すなわち、本発明によれば、第２圧縮部が含む圧縮器の個数は、少なくとも１つであるならばよく、その圧縮器の個数には、特別な制限がない。例えば、第２圧縮部が含む圧縮器の個数は、１個、３個、４個、５個などにもなる。

【0046】

本実施形態によれば、第２圧縮部１２０は、第２インタークーラ１２３を含むが、本発明は、それに限定されるものではない。本発明による第２圧縮部は、インタークーラを含まなくともよい。

【0047】

一方、第１再生部１３０は、第１圧縮部１１０で圧縮された作動流体を、第３管路Ｐ３を介して伝達されて加熱する機能を遂行する。すなわち、第１圧縮部１１０で圧縮された作動流体は、第１再生部１３０を通り過ぎながら、第２再生部１４０から出た作動流体と熱交換が行われる。そのために、第１再生部１３０は、一般的な熱交換器の構成を有することができる。

【0048】

第１再生部１３０で加熱された作動流体は、第４管路Ｐ４を介して移動し、第２圧縮部１２０で圧縮された作動流体は、第５管路Ｐ５を介して移動していて、合流部Ｊで合流した後、第６管路Ｐ６を介して、第２再生部１４０に移動することになる。

【0049】

合流部Ｊは、第１再生部１３０と第２再生部１４０との間の管路に配置されるが、電子制御が可能な電子式弁、または手動制御が可能な機械式弁によっても構成される。従って、制御部１９０は、合流部Ｊを自動的に制御したり、ユーザが合流部Ｊを手動で制御したりもする。

【0050】

合流部Ｊは、第４管路Ｐ４、第５管路Ｐ５、第６管路Ｐ６と連結されているので、合流部Ｊを制御することになれば、第６管路Ｐ６に流れる作動流体の全体的な流量を調節するだけではなく、第４管路Ｐ４と第５管路Ｐ５とに流れる作動流体の流量も、調節することができる。

【0051】

本実施形態によれば、合流部Ｊは、第２再生部１４０と分離されているが、本発明は、それに限定されるものではない。すなわち、本発明によれば、第５管路Ｐ５を介して移動した作動流体は、第２再生部１４０にすぐ移動することもできる。その場合、第２再生部１４０内部に合流部Ｊが配置され、第４管路Ｐ４を介して移動した作動流体と、第５管路Ｐ５を介して移動した作動流体は、第２再生部１４０内部に配置された合流部Ｊで互いに合流することになる。

【0052】

一方、第２再生部１４０は、第１再生部１３０で加熱された作動流体と、第２圧縮部１２０で圧縮された作動流体と、を加熱する機能を遂行する。すなわち、合流部Ｊから出て、第６管路Ｐ６を介して、第２再生部１４０に移動した作動流体は、第２再生部１４０を通り過ぎながら、膨張部１６０から出た作動流体と熱交換が行われる。そのために、第２再生部１４０は、一般的な熱交換器の構成を有することができる。

【0053】

第２再生部１４０で加熱された作動流体は、第７管路Ｐ７を介して移動し、メイン熱交換部１５０に移動することになる。

【0054】

メイン熱交換部１５０は、熱源ＨＳで発生した熱を、第２再生部１４０で加熱された作動流体に伝達する。そのために、メイン熱交換部１５０は、一般的な熱交換器の構成を有することができる。

【0055】

熱源ＨＳは、熱が発生しうる装置であるならば、制限なしにも適用される。例えば、熱源ＨＳは、太陽熱加熱システム、原子力加熱システム、地熱加熱システム、火力加熱システムのように、多様な熱源が適用されてもよい。

【0056】

熱源ＨＳで発生した熱を伝達された作動流体は、第８管路Ｐ８を介して、膨張部１６０に移動する。

【0057】

膨張部１６０は、メイン熱交換部１５０から熱を伝達された作動流体を膨張させながら動力を生産するが、膨張部１６０は、４個の第１膨張器１６１、第２膨張器１６２、第３膨張器１６３及び第４膨張器１６４と、再熱器１６５とを含む。

【0058】

４個の第１膨張器１６１、第２膨張器１６２、第３膨張器１６３及び第４膨張器１６４は、タービン構造を有しており、第２膨張器１６２と第３膨張器１６３との間には、再熱器（reheater）１６５が配置される。再熱器１６５は、熱源ＨＳで熱を受けて駆動されるか、あるいは別個の駆動源に駆動されてもよい。

【0059】

本実施形態による膨張部１６０は、４個の第１膨張器１６１、第２膨張器１６２、第３膨張器１６３及び第４膨張器１６４を含んでいるが、本発明は、それらに限定されるものではない。すなわち、本発明によれば、膨張部が含む膨張器の個数は、少なくとも１つであるならばよく、その膨張器の個数には、特別な制限がない。例えば、膨張部が含む膨張器の個数は、１個、２個、３個、５個、６個などにもなる。

【0060】

本実施形態によれば、膨張部１６０は、単一の再熱器１６５を含むが、本発明は、それに限定されるものではない。本発明による膨張部は、複数個の再熱器を含んでもよい。例えば、本実施形態の第１膨張器１６１と第２膨張器１６２との間、及び第３膨張器１６３と第４膨張器１６４との間にも、再熱器が配置されてもよい。同時に、本発明による膨張部は、再熱器を含まなくともよい。

【0061】

一方、動力伝達部１７０は、膨張部１６０で生産された動力を、第１圧縮部１１０及び第２圧縮部１２０に伝達し、第１圧縮部１１０及び第２圧縮部１２０に伝達して残る動力は、発電部１８０に伝達して発電を行う。

【0062】

動力伝達部１７０は、少なくとも１つのギア列１７１と、ギア列１７１を収容するギアボックス１７２と、を含む。ギア列１７１は、膨張部１６０の回転軸１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６４ａから動力を伝達され、第１圧縮部１１０の駆動軸１１１ａ，１１２ａ、第２圧縮部１２０の駆動軸１２１ａ，１２２ａ、発電部１８０の駆動軸１８１に動力を伝達する。

【0063】

本発明による動力伝達部のギア列の構成は、多様な形態を有することができる。すなわち、設計者は、多様な性能と構造とを有するギア列を設計することができる。一例として、本実施形態によるギア列１７１は、１つのブルギア（bull gear）１７１ａ、複数個のピニオンギア１７１ｂ、複数個の連結ギア１７１ｃを含む。ピニオンギア１７１ｂは、出力ピニオンギア１７１ｂ＿１と駆動ピニオンギア１７１ｂ＿２とを含む。ギア列１７１をなすギアの形状には、特別な制限がないが、例えば、適用されるギアの形状は、スパーギア形状、ヘリカルギア形状、ダブルヘリカルギア形状などにもなる。

【0064】

第１膨張器１６１、第２膨張器１６２、第３膨張器１６３及び第４膨張器１６４の各回転軸１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６４ａは、出力ピニオンギア１７１ｂ＿１と連結されており、第１圧縮器１１１，１１２の各駆動軸１１１ａ，１１２ａと、第２圧縮器１２１，１２２の各駆動軸１２１ａ，１２２ａは、駆動ピニオンギア１７１ｂ＿２と連結されている。また、連結ギア１７１ｃは、ピニオンギア１７１ｂと噛み合って動力を伝達する。

【0065】

本実施形態のギアボックス１７２は、金属素材からなるが、本発明によれば、それに限定されるものではない。すなわち、本発明によるギアボックスの素材には、特別な制限がなく、多様な素材が使用されてもよい。

【0066】

本実施形態のギア列１７１は、ギアボックス１７２内部に位置した単一空間Ｓに集中して配置され、複数個のベアリングＢを利用して設置される。

【0067】

本実施形態による動力伝達部１７０は、ギアボックス１７２内部に位置した単一空間Ｓに、ギア列１７１が集中して配置されているので、ギア列１７１潤滑のためのオイル供給と、オイル循環とが容易になり、ギア列１７１の効率的な配置が可能であり、動力伝達部１７０の全体体積を低減させることができる。従って、超臨界二酸化炭素発電システム１００の全体的な構造が簡単になり、設置作業が容易であり、空間の効率的な活用が可能になり、超臨界二酸化炭素発電システム１００の設置空間の大きさを縮めることができる。

【0068】

本実施形態によれば、ギア列１７１は、ギアボックス１７２内部に位置した単一空間Ｓに配置されるが、本発明は、それに限定されるものではない。すなわち、本発明によれば、ギアボックス内部１７２の空間をいくつかに区画した後、その区画された空間に、ギア列の各部分を分散させて配置することもできる。

【0069】

一方、発電部１８０は、動力伝達部１７０から動力を伝達されて発電を起こすが、発電部１８０は、一般的な発電機の構造を有することができる。発電部１８０の駆動軸１８１は、動力伝達部１７０のギア列１７１と連結されて動力を伝達される。

【0070】

制御部１９０は、超臨界二酸化炭素発電システム１００を制御する装置であり、超臨界二酸化炭素発電システム１００のさまざまなセンサ部と連結され、センサデータを受けて演算し、ユーザが設定したアルゴリズムにより、超臨界二酸化炭素発電システム１００の各部品の作動を制御する。そのために、制御部１９０は、電路基板、集積回路チップのようなハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアなどを含んでもなり、ユーザまたは制御アルゴリズムの制御を受けて駆動される。

【0071】

本実施形態による超臨界二酸化炭素発電システム１００には、多くのセンサ部が設けられているが、例えば、第１管路Ｐ１、第２管路Ｐ２、第３管路Ｐ３、第４管路Ｐ４、第５管路Ｐ５、第６管路Ｐ６、第７管路Ｐ７、第８管路Ｐ８、第９管路Ｐ９、第１０管路Ｐ１０、第１１管路Ｐ１１には、それぞれ作動流体の圧力、温度、流量、非体積などを測定する第１センサ部Ｃ１、第２センサ部Ｃ２、第３センサ部Ｃ３、第４センサ部Ｃ４、第５センサ部Ｃ５、第６センサ部Ｃ６、第７センサ部Ｃ７、第８センサ部Ｃ８、第９センサ部Ｃ９、第１０センサ部１０、第１１センサ部Ｃ１１が配置されており、熱源ＨＳには、熱源ＨＳの状態をモニタリングする熱源センサ部ＣＨが配置されており、発電部１８０には、発電部１８０の状態をモニタリングする発電部センサ部ＣＧが配置されている。

【0072】

理解の一助とするために、制御部１９０の制御作用の一例について説明する。例えば、制御部１９０は、超臨界二酸化炭素発電システム１００の状態により、分岐部Ｄと合流部Ｊとのうち少なくとも１つを適切に制御することができる。すなわち、制御部１９０は、熱源ＨＳに設けられたセンサ部ＣＨにより、熱源ＨＳの状態、発電部センサ部ＣＧにより、発電機１８０の状態、各管路上に存在する作動流体の状態、すなわち、温度、圧力、流量などの状態を、多くのセンサ部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，・・・，Ｃ１１などによってモニタリングしていて、事前にプログラミングされている通り最適な作動効率を具現するために、分岐部Ｄ、合流部Ｊなどを適切に制御することができる。例えば、分岐部Ｄを制御することになれば、第１圧縮部１１０と第２圧縮部１２０とにそれぞれ移動する作動流体の流量を適切に調節することができ、合流部Ｊを制御することになれば、第２圧縮部１２０から出る作動流体の流量、第１再生部１３０から出る作動流体の流量、第２再生部１４０に進入する作動流体の流量を適切に調節することができる。それにより、超臨界二酸化炭素発電システム１００の最適効率具現だけではなく、場合によっては、第１圧縮部１１０及び第２圧縮部１２０のサージ発生も防止することができることになる。

【0073】

以下、図１を参照し、本実施形態による超臨界二酸化炭素発電システム１００の作動形態ついて説明する。

【0074】

本実施形態による超臨界二酸化炭素発電システム１００は、超臨界状態の二酸化炭素が、閉サイクル（closed cycle）をなして循環するので、以下、作動流体の循環過程によって説明する。

【0075】

まず、第１再生部１３０から出た作動流体は、第１１管路Ｐ１１に沿って分岐部Ｄに移動する。分岐部Ｄから出た作動流体のうち一部は、第１圧縮部１１０に移動するが、その場合、まず、第１２管路Ｐ１２を介してプレクーラＰＣに入って冷却される。分岐部Ｄから出た作動流体の残りは、第２管路Ｐ２を介して、第２圧縮器１２１に移動することになる。このとき、制御部１９０は、超臨界二酸化炭素発電システム１００が最適性能を発揮することができるように、分岐部Ｄを制御することができる。

【0076】

プレクーラＰＣで冷却された作動流体は、第１圧縮器１１１に移動することになるが、第１圧縮器１１１は、作動流体を圧縮する。第１圧縮器１１１で圧縮された作動流体は、第１インタークーラ１１３に移動して冷却され、冷却された作動流体は、第１圧縮器１１２に入って圧縮される。

【0077】

第１圧縮器１１２で圧縮された作動流体は、第３管路Ｐ３を介して移動し、第１再生部１３０に移動する。第３管路Ｐ３を介して、第１再生部１３０に移動した作動流体は、第１０管路Ｐ１０を介して移動してきた作動流体と熱交換が行われ、加熱されることになる。

【0078】

第１再生部１３０で熱交換が行われて加熱された作動流体は、第４管路Ｐ４を介して移動し、合流部Ｊに移動することになる。

【0079】

一方、分岐部Ｄから出た作動流体のうち第２圧縮器１２１に入った作動流体は、第２圧縮器１２１で圧縮される。第２圧縮器１２１で圧縮された作動流体は、第２インタークーラ１２３に移動して冷却され、冷却された作動流体は、第２圧縮器１２２に入って圧縮される。

【0080】

第２圧縮器１２２で圧縮された作動流体は、第５管路Ｐ５を介して合流部Ｊに移動することになる。

【0081】

前述のように、第４管路Ｐ４を介して移動した作動流体と、第５管路Ｐ５を介して移動した作動流体は、合流部Ｊで合流されることになるが、制御部１９０は、超臨界二酸化炭素発電システム１００が最適性能を発揮することができるように、合流部Ｊを制御することができる。

【0082】

次に、合流部Ｊから出た作動流体は、第６管路Ｐ６を介して、第２再生部１４０に移動することになる。第６管路Ｐ６を介して、第２再生部１４０に移動した作動流体は、第９管路Ｐ９を介して移動してきた作動流体と熱交換が行われて加熱されることになる。すなわち、第１再生部１３０で加熱された作動流体と、第２圧縮部１２０で圧縮された作動流体は、合流部Ｊで合流された後、第２再生部１４０で加熱される。

【0083】

次に、第２再生部１４０で加熱された作動流体は、第７管路Ｐ７を介して移動し、メイン熱交換部１５０に移動することになる。メイン熱交換部１５０においては、熱源ＨＳで発生した熱を、第２再生部１４０から出た作動流体に伝達する。

【0084】

熱源ＨＳで発生した熱を伝達された作動流体は、第８管路Ｐ８を介して膨張部１６０に移動するが、膨張部１６０は、メイン熱交換部１５０から熱を伝達された作動流体を膨張させながら動力を生産する。

【0085】

すなわち、作動流体は、第８管路Ｐ８を介して、第１膨張器１６１に移動して膨張されながら動力を生産し、次に、第２膨張器１６２に移動して膨張されながら、動力を生産した後、再熱器１６５によってさらに加熱される。次に、再熱器１６５で加熱された作動流体は、第３膨張器１６３に移動して膨張されながら動力を生産し、次に、第４膨張器１６４に移動して膨張されながら動力を生産する。

【0086】

次に、膨張部１６０から出た作動流体は、第２再生部１４０と第１再生部１３０とにおいて、順次に熱が交換される。

【0087】

すなわち、第４膨張器１６４から出た作動流体は、第９管路Ｐ９を介して、第２再生部１４０に移動し、第６管路Ｐ６を介して、第２再生部１４０に移動した作動流体と熱交換が行われる。次に、第２再生部１４０から出た作動流体は、第１０管路Ｐ１０を介して、第１再生部１３０に移動し、第３管路Ｐ３を介して、第１再生部１３０に移動した作動流体と熱交換が行われる。

【0088】

以上のように、作動流体の循環による超臨界二酸化炭素発電システム１００の各構成の作用についての説明を行った。以下、動力伝達部１７０及び発電部１８０の駆動について詳細に説明する。

【0089】

前述のように、膨張部１６０の第１膨張器１６１、第２膨張器１６２、第３膨張器１６３及び第４膨張器１６４は、作動流体を膨張させながら動力を生産する。そのとき、第１膨張器１６１、第２膨張器１６２、第３膨張器１６３及び第４膨張器１６４の各回転軸１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６４ａは、動力伝達部１７０の出力ピニオンギア１７１ｂ＿１に動力を伝達し、出力ピニオンギア１７１ｂ＿１は、ブルギア１７１ａに動力を伝達する。

【0090】

動力を伝達されたブルギア１７１ａは、駆動ピニオンギア１７１ｂ＿２に動力を伝達するが、駆動ピニオンギア１７１ｂ＿２は、第１圧縮器１１１，１１２の各駆動軸１１１ａ，１１２ａと、第２圧縮器１２１，１２２の各駆動軸１２１ａ，１２２ａとに動力を伝達し、第１圧縮部１１０と第２圧縮部１２０とが駆動されることになる。

【0091】

同時に、ブルギア１７１ａは、発電部１８０の駆動軸１８１と連結されており、ブルギア１７１ａの回転により、発電部１８０に動力を伝達して発電を行う。

【0092】

以上のように、本実施形態の超臨界二酸化炭素発電システム１００によれば、制御部１９０は、超臨界二酸化炭素発電システム１００の状態により、分岐部Ｄと合流部Ｊとのうち少なくとも１つを適切に制御することができるので、超臨界二酸化炭素発電システム１００が最適性能を具現するだけではなく、場合によっては、第１圧縮部１１０及び第２圧縮部１２０のサージ発生も防止することができることになる。

【0093】

また、本実施形態の超臨界二酸化炭素発電システム１００によれば、動力伝達部１７０のギア列１７１は、ギアボックス１７２内部に位置した単一空間Ｓに集中して配置されているので、ギア列１７１潤滑のためのオイル供給と、オイル循環とが容易になり、ギア列１７１の効率的な配置が可能であり、動力伝達部１７０の全体体積を縮めることができることになる。従って、超臨界二酸化炭素発電システム１００の全体的な構造が簡単になり、設置作業が容易になり、同時に、空間の効率的な活用が可能になり、超臨界二酸化炭素発電システム１００の設置空間サイズを縮小させることができる。

【0094】

本発明は、添付された図面に図示された実施形態を参照して説明されたが、それらは、例示的なものに過ぎず、当該技術分野において当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。従って、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によってのみ定められるものである。

【産業上の利用可能性】

【0095】

本実施形態の超臨界二酸化炭素発電システムは、超臨界状態の二酸化炭素を作動流体にする発電システムを製造したり運用したりする産業にも使用される。

【符号の説明】

【0096】

１００ 超臨界二酸化炭素発電システム、１１０ 第１圧縮部、１１１，１１２ 第１圧縮器、１１１ａ，１１２ａ 駆動軸、１１３ 第１インタークーラ、１２０ 第２圧縮部、１２１，１２２ 第２圧縮器、１２１ａ，１２２ａ 駆動軸、１２３ 第２インタークーラ、１３０ 第１再生部、１４０ 第２再生部、１５０ メイン熱交換部、１６０ 膨張部、１６１，１６２，１６３，１６４ 膨張器、１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６４ａ 回転軸、１６５ 再熱器、１７０ 動力伝達部、１７１ ギア列、１７１ａ ブルギア、１７１ｂ＿１ 出力ピニオンギア、１７１ｂ＿２ 駆動ピニオンギア、１７２ ギアボックス、１８０ 発電部、１８１ 駆動軸、１９０ 制御部、Ｄ 分岐部、ＨＳ 熱源、Ｊ 合流部、ＰＣ プレクーラ、Ｓ 単一空間

【図1】