JP5883800B2 - 一体式コンプレッサ・エキスパンダ - Google Patents

Description

本出願は、２０１０年１月１５日に出願された米国仮特許出願６１／２９５,６３３、および、２０１０年２月１０日に出願された米国仮特許出願６１／３０３,２７０に対する優先権を主張する。これらの基礎出願は、これをもって、その全体の内それらが本出願と矛盾しない程度まで参照によってここに含まれる。

本開示は概して一体式コンプレッサ・エキスパンダ組立体であって冷凍用に、特に天然ガスの液化に使用される。前記語句「一体式」は、一般的に前記コンプレッサおよびエキスパンダが、単一で共通のシャフトに設けられていることを意味するように定義されている。そのような冷凍用では、冷ガス・エキスパンダは、流れるガスの圧力の減少を通して低温を生み出すために用いられている。典型的には、力学的エネルギーが前記エキスパンダから取り出されて有用な目的に役立たせる。前記エキスパンダから取り出された力学的エネルギーは、発電機に、または、ガス流を圧縮するように改造されたコンプレッサに提供できる。前記エネルギーを取り出して直接的に圧縮することは、高価な発電装置およびそれに伴うエネルギー損失を除去するので、通常、最も効率的かつ経済的な手段である。

典型的には、エネルギーが取り出されて圧縮される場合には、前記組立体の配置は、中央シャフトの一端で張り出し、半径方向に流入し軸方向に流出する単一のエキスパンダと、前記シャフトの他端に張り出し、軸方向に流入し半径方向に流出する1段のコンプレッサとである。この配置では、前記圧縮効率は、精密に前記膨張効率と一致するように規制して、前記組立体を外部のドライバや負荷のないパワーバランスにあるように保つ。加えて、前記コンプレッサ内での圧力上昇は、単一の回転翼によって達成可能な量に抑制されている。

前記膨張効率が、前記圧縮効率を超える場合またはその逆の場合に、一体的に連動する配置が用いられるのが良い。一体的に連動する配置では、軸方向の流入と半径方向の流出を持った多段のコンプレッサが、多重のシャフトの単一のギヤによって駆動され、前記エキスパンダが他のシャフトからのこの同一のギヤを駆動するようにしても良い。前記圧縮効率が膨張効率を越える場合には、前記ギヤも外部のドライバと連結して、追加のパワーを提供するようにしても良い。前記一体的なギヤの配置は複数のベアリング及びシールを要求し、その設計を複雑にし、かつ、より低い信頼性およびマシンダウンタイムのより高い頻度に導く。

したがって、単一で信頼性の高い組立体内でのより高い圧縮比を達成しながら効率的なエネルギー回収を促進する必要がある。

本開示の実施の形態は、コンプレッサ・エキスパンダ組立体を提供するだろう。前記組立体は、中央シャフト上に張り出した配置で設けられた低温エキスパダーと、少なくとも２つのベアリング間で中央シャフトに支持された多段遠心性コンプレッサとを有する。前記組立体は、さらに、前記多段コンプレッサの現在の動作モードに依存して、前記中央シャフトに回転力を供給するかまたは前記中央シャフトの回転からパワーを生み出すかのどちらか一方になるように設けられた前記中央シャフトに連結した装置を含有するのが好ましい。

本開示の実施の形態は、また、低温エキスパンダで流体を膨張する工程を含有する方法であって、前記低温エキスパンダが、多段遠心性コンプレッサおよび１の装置もまた連結されている中央シャフトに連結しているものを提供するのが好ましい。前記方法は、さらに前記低温エキスパンダを回転させる工程およびそこからパワー出力を生み出す工程を含めることが好ましい。少なくとも１の実施の形態では、もし前記低温エキスパンダからの前記パワーが、前記コンプレッサを駆動するために要求されるものよりも小さい場合には、前記装置および前記低温エキスパンダが前記コンプレッサを駆動する。他の実施の形態では、もし前記低温エキスパンダからの前記パワーが前記コンプレッサを駆動するために要求されるものよりも大きい場合には、前記低温エキスパンダが前記装置および前記コンプレッサを駆動することが好ましい。さらに他の実施の形態では、もし前記低温エキスパンダからの前記パワーが前記コンプレッサを駆動するために要求されるものに他ならない場合には、前記コンプレッサのみを駆動するのが好ましい。

本開示の実施の形態はまた１の低温エキスパンダを含有する装置を設けることが好ましい。前記装置の動作中に、前記低温エキスパンダは、周囲の温度以下で前記エキスパンダに流入する流体の流れを受けかつ冷却するだろう。前記装置は、また１のコンプレッサと、前記エキスパンダおよび前記コンプレッサを操作可能に連結しているシャフトとを含有することができ、前記シャフトは、第１の端部と、第２の端部と、前記エキスパンダと前記コンプレッサとの間に設けられた縦長部をもつのが好ましい。前記装置は、また、前記シャフトの縦長部を回転可能に支持するベアリングと、前記エキスパンダ、前記コンプレッサ、前記シャフトの第１の端部および前記シャフトの前記縦長部を封入するケーシングとを含有し、前記シャフトの前記第２の端部は前記ケーシングを通って外に延びて、前記シャフトに回転力を提供し、または前記装置の動作中に前記シャフトからの回転力を受けるように作動する装置と操作可能に連結されるのが好ましい。

本開示は、添付した図面とともに読む場合には、下記の詳細な説明から最も良く理解される。工業上の標準的運用に従って、種々の特徴が共通の尺度をもつように描かれていない。事実、種々の特徴の大きさは、説明上、任意に拡大されまたは縮小されるだろう。

図１は、本開示に従った、例示的な一体式コンプレッサ・エキスパンダの概略図である。

図２は、前記エキスパンダとコンプレッサとが、相互に連結した別体のハウジング内にある実施の形態例に係る前記一体式コンプレッサ・エキスパンダの概略図である。

図３は装置が前記中央シャフトに連結した実施例に係る配置での前記一体式コンプレッサ・エキスパンダの概略図である。

図４は、前記一体式コンプレッサ・エキスパンダを用いてコンプレッサを駆動する実施例に係る方法の流れ図である。

下記の本開示は、発明の種々の特徴、構造または機能を実施するための幾つかの実施形態例を記述すると理解されるべきである。構成要素、配列、配置の実施の形態例が以下に記載されて、本開示を単純化させるが、これらの実施の形態例は、単に例示として提供されるが、本発明の範囲を制限することを意図していない。加えて、本開示は、種々の実施の形態例においておよびここに提供された図面の至るところで参照符号および／または文字を繰り返すだろう。この繰り返しは、単純化と明瞭性の目的のためであって、種々の実施の形態例の間の関係および／または種々の図面で検討された配置とにそれ自身影響を与えない。さらに、下記の説明についての第１の特徴または第２の特徴に関する形式は、第１および第２の特徴が、直接的な接触で形成されている実施の形態を含有することができ、かつ、前記第１および第２の特徴の間に入るように追加の特徴が形成されて、前記第１および第２の特徴が直接的に接触しないような実施の形態を含有しても良い。最後に、下記に提供された実施の形態例は、任意の結合方法で結合されることができる。すなわち、ある実施の形態例からの任意の要素が、本開示の範囲を逸脱することなく任意の他の実施の形態例で使用されることができるだろう。

加えて、ある語句が、下記の詳細な説明および請求の範囲を通して使用されて特別な構成要素を表す。いわゆる当業者が認めるように、異なる団体が異なる名称によって同一の構成要素を表すかも知れない。そうであるので、ここで記述された要素に対する命名の慣行は、ここで特にそうでないように規定しない限りは、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。さらに、ここで使用される命名の慣行は、機能ではなく名称において異なる構成要素間を異ならせることを意図したものではない。さらに、次の記述および請求の範囲において、前記語句「含有する」および「有する」は、開放型で使用され、したがって、「含有するが、それに限定されない」を意味すると解釈すべきである。本開示における全ての数値は、特にそうでないように述べていないならば、厳密なまたは近似的な値であるだろう。したがって、本開示の種々の実施の形態は、本発明の範囲から逸脱することなく、ここに開示された前記数、数値および範囲から外れることができる。さらに、請求の範囲または明細書内に用いられるように、前記語句「または」は、排他的および非排他的な場合の両方を包含するように意図している。すなわち、「ＡまたはＢ」は、そうでないようにここで明示して特定されない限りは、「ＡおよびＢの内の少なくとも１つ」と同義語である。

図１に例示されたように、ある実施の形態例にあっては、その内の１つが天然ガスの液化となるであろう多数の機能のために用いることができる一体式コンプレッサ・エキスパンダ１０が示されている。前記一体式コンプレッサ・エキスパンダ１０は、典型的には中央シャフト１６の第１の端部で各々張り出した半径方向流入・軸方向流出低温エキスパンダ１４、および半径方向流入・半径方向流出の多段または多輪の遠心性コンプレッサ組立体１８であって前記中央シャフト１６の縦長部に沿って前記低温エキスパンダ１４から軸方向に変位したものを封入する気密構造のケーシング１２を含有するのが好ましい。他の実施の形態では、前記エキスパンダ１４および前記コンプレッサ１８は、連結されまたはそうでなければ互いに接触した別体のケーシング内にあっても良い。前記遠心性コンプレッサ組立体１８は、典型的には、前記コンプレッサ組立体１８の高圧側が、前記コンプレッサ組立体１８の低圧側よりも前記低温エキスパンダからより離れているような向きに示されている。
さらに、気密構造のケーシングがここで全体を通して述べられているけれども、発明者は、非気密構造のケーシングが、この発明の範囲を逸脱することなく本開示の実施の形態を実行するために使用することができるだろうと予期している。

前記遠心性コンプレッサ組立体１８の向きおよび／または配置は、特別な処理要求、空間、またはコンプレッサ装置を選択するために慣例的に使用されるかもしれない他のパラメータを最適化するように変更することが好ましい。例えば、前記組立体１８の１つの配置例は、前記コンプレッサ組立体１８の高圧側が前記低温エキスパンダ１４に隣接するような配置である。他の実施の形態では、前記高圧側が前記エキスパンダ１４から離れて位置しても良い。加えて、前記コンプレッサは、本開示の発明者の意図した範囲から逸脱することなく、背面、複流、または複合コンプレッサ配置のような任意の個数の他の配置とすることができるだろう。

少なくとも２つのラジアルベアリング２０ａ，２０ｂおよび少なくとも１のスラストベアリング２２は、前記気密構造のケーシング１２内に設けても良い。さらに、多数の他の内部シールが前記ケーシング１２内に与えられ、かつ内部の漏れを抑制するように配置されることができる。シールの前記特定の配置および種類は、前記応用例に依存するだろうが、実施具体化の種々の形状は、特に図示していないけれども、本開示の範囲から逸脱していない。

少なくとも１の実施の形態では、前記スラストベアリング２２は、図示のように、前記ラジアルベアリング２０ｂから内側（すなわち、その左側）に配置することができる。しかしながら、前記スラストベアリング２２も、前記ラジアルベアリング２０ｂから外側に（すなわち、右側に）配置することができる。前記ラジアルベアリング２０ｂの外側に設けられた前記スラストベアリング２２を有することは、より大きな活動領域を含有することを可能にし、それによってその効率を高めるだろう。他の実施の形態例では、前記ラジアルベアリング２０ｂおよびスラストベアリング２２は、前記ケーシング１２から外側に配置することができる。前記ケーシング１２の外側に前記ラジアルベアリング２０ｂおよびスラストベアリング２２を配置させることは、前記ベアリング２０ｂ、２２が組立または維持目的のためにより接近しやすいだろうという点において、利益となるだろう、そして、さらに、もしこれらの部品が気密構造のケーシングの外側に置かれているならば、ベアリングおよびスラストベアリングを作動させることに伴ういくつかの問題点が回避されるだろう。

少なくとも1の実施の形態において、前記ラジアルベアリング２０ａおよび２０ｂは磁性ベアリングであって、磁性ベアリングの故障の場合には前記回転するシャフトを一時的に支持するために少なくとも１のキャッチャまたはコウストダウンベアリング（図示せず）と連結されているのが好ましい。この分野では公知であるが、磁性ベアリングは加圧下で機能するだろう、したがって、ここに開示された前記処理に対する最小限の密閉基準を一般的に満たすだろう。また、磁性ベアリングは、一般的に、より広い範囲の温度依存性を享受している。そのことは、温度が日常的に氷点下であって、極低温温度範囲になる本開示の実施の形態では、利益をもたらすだろう。さらに、磁性ベアリングは、動作中に、非腐食性作業流体に直接的にさらされているが、それにも拘らず正しく機能し続けるだろう。

ターボ機構で一般的に使用される他のベアリングの種類は、また、磁性ベアリングに換えて、またはそれに加えて使用されることができる。例えば、少なくとも1の実施の形態では、前記ラジアルベアリング２０ａおよび２０ｂは、潤滑オイルベアリングを含有しても良い。前記ベアリング２０ａ，２０ｂの構造的な配置（例えば、前記ケーシング１２の内側または外側）に依存して、潤滑オイルベアリングは、気密構造をもつ潤滑油ドレインまたは加圧供給部付の大気圧潤滑油ドレインのいずれかを有することができる。潤滑油ベアリングを使用する少なくとも１の利点は、ギアボックスまたはモータ発電機のように加圧下でまたは大気圧で受け取るかのどちらかであるが、一体式コンプレッサ・エキスパンダ１０の他の部分もまた、潤滑油を使用するかもしれないことである。したがって、ベアリングを支持するための潤滑油システムを与えることに対する追加の複雑さはないであろう。しかしながら、本発明者は、前記潤滑油システムで使用されるオイルが、潤滑剤に対する受け入れ可能温度で維持されること、すなわち、本開示の範囲内でのことであるが、前記適当な粘性を維持するため加熱されることが必要だろうということを認識している。

図示されているように、前記ラジアルベアリング２０ａ、これは前記低温エキスパンダ１４と前記遠心性コンプレッサ組立体１８との間に配置されることができるが、前記低温エキスパンダ１４および／または前記遠心性コンプレッサ組立体１８を通して流れる流体にさらされるだろう。ある実施の形態例において、前記ラジアルベアリング２０ａは、潤滑オイルベアリングであって、オイルが、増大した圧力で前記ラジアルベアリング２０ａに供給されて、前記ラジアルベアリング２０ａのドレインライン内の前記圧力が、前記低温エキスパンダ１４と遠心性コンプレッサ組立体１８との間の通常の動作圧力と一致し、前記ベアリングの配置での追加のシールが要求されない。しかしながら、ラビリンスシールまたは他の受動的なシールのような他のシールを設けることは、本開示の範囲を逸脱することなく、これらの範囲内に含まれるだろう。他の実施の形態では、少なくとも１のベアリングおよび／またはシールが前記エキスパンダの流出口の半径方向の外側に置かれ、これによって前記張り出した配置を取り除いても良い。しかしながら、この実施の形態では、前記ベアリングおよび／またはシールは、前記エキスパンダ１４の前記流出でのおそらく前記極低温範囲における効率的な動作を行うことができるようにするには、特別な構造・物質をおそらく要求されるだろう。

バランスピストン２３は、前記気密構造ケーシング１２内に配置されるのが良い。前記バランスピストン２３の大きさおよび配置は、前記一体式コンプレッサ・エリスパンダ１０の動作中に展開される軸方向力に依存する。１以上の実施の形態において、前記バランスピストン２３は、受動的であっても良く、または、いわゆる当業者に知られた方法で、制御要素（図示せず）を使用して制御されても良い。しかしながら、他の実施の形態では、前記バランスピストン２３は、圧縮ガスまたはオイルのような公知の技術を用いて制御されても良い。少なくとも１のシール２４が、気密構造のケーシング１２の開口部２５に隣接する前記中央シャフト１６に設けられても良い。少なくとも１の実施の形態では、前記気密構造ケーシング１２内に設けられていない前記中央シャフト１６の前記第２の端部は前記開口部２５を貫通して延びても良い。使用に際し、前記シール２４は、作業気体のような流体の、前記気密構造ケーシング１２の前記開口部を通して外への漏れを実質的に防止するように配置されても良い。

少なくとも１の実施の形態では、前記シール２４は、同様の応用例での前記最も少ない漏れの量を一般的にもつ乾性ガスシールであっても良い。窒素が、前記乾性ガスシールへの前記供給ガスとして使用されても良い。しかし作業ガスも、もしそれが正しい圧力および条件に調整されるならば、使用されることができる。他の実施の形態では、前記シール２４は、少なくとも１のラビリンスシールを含有しても良い。この分野で公知のことであるが、ラビリンスシールは、非常に低価格であって予想通りに信頼性がある。しかしながら、他の種類の受動的なシール（すなわち、外部入力を要求せず、圧力の差異に依存して機能する）もまた使用されることができる。例えば、１以上のブラシシールが、シール２４として用いられることができる。

お察しのように、前記ラジアルベアリング２０ａ，２０ｂ、前記スラストベアリング２２、および前記シール２４が前記一体式コンプレッサ・エキスパンダ１０システム内にどのように設けられているかによっていくつかの異なる配置が存在しうる。前記応用例に応じて、例えば、前記シール２４は、前記ラジアルベアリング２０ｂおよびスラストベアリング２２の内側または外側のいずれかで作動することができる。このように、少なくとも１の実施の形態では、前記ラジアルベアリング２０ｂおよびスラストベアリング２２の両方が、前述したように、前記ケーシング１２から外部に配置され、前記シール２４は、前記開口部２５を通しての流体漏れを防止するように機能するようにしても良い。他の実施の形態では、前記ラジアルベアリング２０ｂまたはスラストベアリング２２のどちらか一方のみが、前記ケーシング１２から外部に配置され、前記シール２４が前記両者の間に介在するようにしても良い。

実施例に係る動作中に、圧縮流体２６が、前記低温エキスパンダ１４に半径方向に流入し、そこで膨張し、かつ軸方向に流出するだろう。他の実施の形態例では、前記システムは、前記流体が、最初に前記遠心性コンプレッサ組立体に半径方向に流入し、前記流体が加圧された後、前記流体は、前記コンプレッサ組立体から半径方向に流出するように配置されても良い。このように、本開示が、半径流及び軸流の両方の流出とともに半径流及び軸流の流入を提供することは明らかである。しかしながら、半径方向および軸方向の両方のコンプレッサ流入・流出が是認されているので本開示の実施の形態は、明瞭にこの特別な配置に限定していないけれども、本開示で記述され、図面に示された主要な実施の形態例では、前記コンプレッサへの流入は半径方向であり、流出は軸方向である。

流入・流出の特別な配置とは無関係に、動作時において、前記圧縮流体２６の前記膨張は前記低温エキスパンダ１４にエネルギーを分け与え、前記低温エキスパンダ１４を回転させる。前記低温エキスパンダ１４の回転は、次々に、前記中央シャフト１６を回転させ、これによって、前記遠心性コンプレッサ組立体１８の前記翼を回転させる。１以上の実施の形態で、流体２８は、当初前記遠心性コンプレッサ組立体１８に半径方向に流入し、続いて前記遠心性組立体１８の回転翼に軸方向に流れるように導かれ、前記流体２８は、前記遠心性コンプレッサ組立体１８の回転翼によって圧縮される。圧縮された流体２８は、前記遠心性コンプレッサ組立体１８から半径方向に流出しても良い。

明瞭性のために、流体２６，２８の流入口の条件が、前記図の２６ａ，２８ａとして各々示され、流体２６，２８の流出口の条件が、２６ｂ，２８ｂとして、前記図に、各々示されている。前記流体２６，２８の流入口および流出口の温度および圧力の典型的な範囲が、下記の表１に提供されている。しかしながら、出願人は、前記表に記述された各々の温度は近似的なもの（前記示された温度について）であって、（範囲について）±5%、10%、15%、20%、または30%の差で変化しても良いことに気づいている。したがって、前記流入する流れの温度（２６ａ）は、例えば、前記表に挙げられた温度が−150℃である場合には、−195℃程度に冷たくても良い。同様にして、前記流れ２６ａに対する流入温度範囲は、最も冷たい場合（150よりも30％冷たい）で約−195℃、または最も温かい場合で約65℃（50℃よりも30％温かい）であっても良い。

以上、簡単に述べたように、他の実施の形態例にあっては、前記コンプレッサ組立体１８の前記コンプレッサ部品の一般的な位置または配置は、本開示の範囲を逸脱することなく、逆転させることができる。例えば、前記翼の加圧方向は、前記流体２８が、前記コンプレッサ組立体１８に流入して、軸方向に、図面上右から左に移動させることができる。少なくとも１の実施の形態では、前記バランスピストン２３もまた前記コンプレッサ組立体１８の他の側に移動されて、前記コンプレッサ組立体１８の種々の実施の形態および／または配置を通して到達した推力の悪化を補償することができる。さらに、回転翼の個数または「段」は、より高い圧縮比が達成されることができる応用例で増大されることができる。

前記低温エキスパンダ１４および遠心性コンプレッサ組立体１８の動作は、前記中央シャフト１６に沿って軸力を発生させるだろう。前記軸力は、前記スラストベアリング２２および前記バランスピストン２３によって支持されるだろう。前記回転軸１６によって潜在的に生み出される半径方向力およびロータの重さは、前記ラジアルベアリング２０ａ，２０ｂによって支えられるだろう。追加の導管（図示せず）が提供されて、前記ベアリング２０ａ，２０ｂ，２２、バランスピストン２３およびシール２４の動作に必要なものとして、流体の密封、孔および弁を提供する。

前記エキスパンダ１４は、必ずしも前記コンプレッサ組立体１８と推力バランスにないので、前記バランスピストン２３が、少なくとも１の実施の形態では、能動的な（動力源を含む）推力バランスシステム（図示せず）と置き換えら（または追加さ）れることができる。少なくとも１の実施の形態では、前記能動的な推力バランスシステムは、前記ケーシング１２内に形成された空洞の圧力を、外部弁（図示せず）の使用を通して、制御するように作られたシステムを含有しても良い。前記弁は、前記空洞内の前記圧力の抜き取りをより低い所定の圧力に戻すように調整するように配置されても良い。１以上の実施の形態では、前記空洞は、前記エキスパンダ１４の背後に設けられて、前記圧力が実質上低い前記エキスパンダ１４の前の位置に前記弁を通して流体力学的に接続されても良い。前記エキスパンダ１４の背後に配置された前記空洞の平衡径は、前記シール２４が配置されている反対側の密封端で生み出されるだろう前記推力を相殺するために通常の動作条件で推力を提供するように設けることができる。少なくとも１の実施の形態では、前記空洞から導き出された結果として生じる推力は、通常の動作条件では、前記エキスパンダ１４での正味０の推力を発生するように配置されても良い。前記弁が作動せずバランスピストン２３のバックアップがない場合には、前記弁は、ある公開の条件で動かないように設計され、それによって前記エキスパンダ１４の背後に配置された前記空洞に、前記エキスパンダの流出口１４の圧力と等しいかまたは実質的に等しい圧力を与えるように設計しても良い。したがって、前記弁が作動しない場合には、前記シャフト１６の正味の推力は、前記密封端に起因する前記推力に等しいだろう。

ある実施の形態例では、前記気密構造のケーシング１２は、前記一体式コンプレッサ・エキスパンダ１０の前記部品を収納するために一体として作られるのが好ましい。他の実施の形態例では、図２に例示されているように、前記気密構造のケーシング１２は、２つの部分、低温エキスパンダハウジング３４と、コンプレッサハウジング３６から成り、それらはインタフェース３８に沿った隣接する関係で相互に直接的に連結しても良い。少なくとも１の実施の形態では、前記低温エキスパンダハウジング３４およびコンプレッサハウジング３６は、一連のボルト（図示せず）を用いて相互に連結されることができるが、前記２つのハウジング３４，３６もまた、ケーシングを一体的に固定する溶接その他の公知の方法によって連結されても良い。図２に例示されているように、前記ベアリング２０ａ，２０ｂおよび２２およびシール２４は、前記コンプレッサハウジング３６内に収納されることができる。他の実施の形態では、追加のベアリングおよび／またはシールもまた前記開口部２５に設けられても良い。

前記流体２８の目標圧力及び温度を達成するのに必要な前記遠心性コンプレッサ組立体１８の圧縮比は、必ずしも、前記低温エキスパンダ１４のパワー出力によって抑制されない。図３に例示するように、シャフトカップリング５６が使用されて、シャフト１６ａに支持された装置５８を前記中央シャフト１６の前記第２の端部に連結するために使用されても良い。少なくとも１の実施の形態では、シャフト１６ａは前記中央シャフト１６または別体の独立シャフトの延長であっても良い。前記シャフトカップリング５６は、前記応用例に応じて、堅い連結または柔軟性のある連結であっても良い。速度の増加または減少ギヤ(図示せず)もまた前記装置５８と前記一体式コンプレッサ・エキスパンダ１０との間に連結されても良い。

ある実施の形態例では、前記装置５８は、前記コンプレッサ組立体１８の現在の動作モードに応じて、回転力を前記シャフト１６に供給し、前記シャフト１６からの回転力を受け、または回転力を供給しかつ回転力を前記シャフト１６から受けるように設けられても良い。前記装置５８が前記シャフト１６から回転力を受けるように配置された実施の形態例では、前記装置５８は発電機および／またはコンプレッサを含有するのが良い。前記装置５８が回転力を前記シャフト１６に供給する実施の形態例では、前記装置５８は、モータまたはタービンを含有するのが良い。しかしながら、前記装置５８がモータと発電機の結合を含有する実施の形態例もあっても良く、そこでは、前記装置５８が、１の動作モードでは前記シャフト１６に回転力を供給し、他の動作モードでは前記シャフト１６から前記回転力を受けるように設けることができる。本開示の少なくとも１の実施の形態では、前記装置５８は高速高周波数モータを含有しても良い。本分野では、タービンが実用的でないかまたはさもなければ望まれない高速圧縮装置を駆動するためにしばしば使用されるからである。

動作中に、前記低温エキスパンダ１４からの前記パワーが前記コンプレッサ組立体１８を駆動するように要求されるものよりも小さい場合には、前記装置５８は追加の回転力を前記シャフト１６に供給するように設けることができる。この配置では、前記装置５８と低温エキスパンダ１４の組合せは、協働して前記コンプレッサ組立体１８を駆動することができる。もし前記低温エキスパンダ１４からの回転力の前記入力が、前記コンプレッサ組立体１８を駆動するように要求されるものよりも大きい場合には、前記装置５８は回転力を前記シャフト１６から受けても良い。この配置では、前記装置５８および前記コンプレッサ組立体１８は、前記低温エキスパンダ１４によって駆動されることができる。もし前記低温エキスパンダ１４からの前記パワーが前記コンプレッサ組立体１８を駆動するために要求されるものに他ならない場合には、前記低温エキスパンダ１４が前記コンプレッサ組立体１８のみを駆動する。前記装置５８が前記シャフト１６からのパワーを受け取るような配置では、前記装置５８は、例えば、(発電機として)発電するかまたは流体として(コンプレッサとして)更なる処理を行なうかのどちらかとなるように配置されても良い。どちらの実施の形態であっても、前記装置５８は前記エキスパンダ１４によって生み出された超過のパワーを捕獲し、そこから役に立つ作業成果を提供するように配置されても良い。

他の実施の形態で、前記エキスパンダ１４、コンプレッサ１８および前記追加の装置５８の前記動作は、電子コントローラで制御されても良い。例えば、コントローラ（図示せず）は、前記部品の各々の前記パワー状態を表示する入力信号を受け取ってそれに応答した制御信号を発生するように設定しても良い。そうであるので、前記エキスパンダ１４が、前記コンプレッサ１８に超過したパワーを提供する状況では、前記コントローラは、前記装置５８（電気モータ・発電機）を活性化して前記超過パワーを受け取って、該超過パワーを他の装置を駆動するために使用されるかまたはコストクレジットが受けられように電気供給送電線網に送り返すことができる供給電力に変換するように構成するのが良い。さらに、前記エキスパンダ１４が前記コンプレッサ１８に希望する圧縮を生み出すのに充分なパワーを供給していない場合には、前記コントローラは、前記装置５８（電気モータ・発電機）を活性化して追加の回転力を前記シャフト１６に供給して、前記エキスパンダ１４によって供給された回転力を補うように設定するのが良い。このように、前記コントローラは、前記全体のシステムの各部品の動作を、各部品が、現在の状況・検知した入力信号の下でどういう状態で作動すべきかを決定する検知した入力信号および所定のアルゴリズムに基づいて制御するように構成するのが良い。

ある実施の形態例では、図４に例示されているように、コンプレッサを駆動する方法は、全体として、参照符号７０によって示され、かつ流体を、中央シャフトと連結した低温エキスパンダ内で膨張させる工程を含有し、前記中央シャフトには、多段の遠心性コンプレッサおよびある装置もまた連結されて、ブロック７２で示されるように前記低温エキスパンダを回転させてそこからパワー出力を生み出す。もし前記エキスパンダからのパワーが前記コンプレッサを駆動するために要求されるものよりも小さい場合には、前記装置及び前記低温エキスパンダはブロック７４で示されるように前記コンプレッサを駆動する。もし前記低温エキスパンダからの前記パワーがブロック７６で示されるように前記コンプレッサを駆動するために要求されるものよりも大きい場合には、前記装置及び前記コンプレッサは、前記低温エキスパンダにより駆動される。もし前記低温エキスパンダからのパワーが、ブロック７８で示されるように前記コンプレッサを駆動するために要求されるものに他ならない場合には、前記低温エキスパンダは、前記コンプレッサのみを駆動する。

本開示は天然ガスの液化についての実施の形態を典型的なものとして記述しているけれども、ここに記述された前記装置、システム及び方法は、本開示の範囲を逸脱することなく他の環境に適用することができるだろうことが理解される。例えば、他の実施の形態例によれば、工業的な冷凍で使用される回転機構が上述したように一体式コンプレッサ・エキスパンダシステムの実施の形態を使用するように設けられて良い。

前述のものは、いくつかの実施の形態の特徴を、いわゆる当業者がそれに続く前記詳細な説明をより良く理解することができるように概説したものである。これらの当業者は、ここに紹介した実施の形態と同一の目的を実行しおよび／または同一の利益を達成するために他の方法及び構造を設計しまたは変更するための基礎として本開示をたやすく使用することができることに感謝すべきである。いわゆる当業者は、また、そのような等価な構成は、本開示の精神および範囲から逸脱していないこと、および当業者が本開示の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変形、置換え及び変更をなすだろうことを十分に理解すべきである。

Claims (22)

1. 中央シャフトに張り出した配置で設けられた低温エキスパンダと、少なくとも２つのベアリングの間で前記中央シャフトに支持された多段遠心性コンプレッサと、
   前記多段遠心性コンプレッサの流出口と少なくとも２つのベアリングの内の１つとの間で前記中央シャフトに沿って設けられたバランスピストンと、
   前記中央シャフトに沿って設けられたスラストベアリングと、を有するとともに、
   前記低温エキスパンダは、65℃と−195℃との間の温度にある流入流体の流れを受けるように設けられたコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
2. 前記中央シャフトに連結し、かつ前記多段遠心性コンプレッサの現在の動作モードに依存して前記中央シャフトに回転力を供給しまたは前記中央シャフトの回転からパワーを生み出すように設けられた電気モータ発電機結合をさらに有する請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
3. 前記中央シャフトに連結した回転機構装置をさらに有し、前記回転機構装置は、前記中央シャフトに回転力を供給するかまたは前記中央シャフトからの回転力を受け取るように設けられた請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
4. 前記低温エキスパンダは、半径方向流入軸方向流出エキスパンダである請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
5. 前記ベアリングは、ラジアル磁性ベアリングおよび潤滑オイルベアリングの内の少なくとも１を有する請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
6. 前記低温エキスパンダおよび前記多段遠心性コンプレッサは、単一のケーシングに含有され、前記中央シャフトは、前記単一のケーシングから延びて前記電気モータ発電機結合に連結している請求項２に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
7. 前記低温エキスパンダは、第１のケーシング内に含有され、前記多段遠心性コンプレッサは、第２のケーシングに含有され、前記第１および第２のケーシングは相互に連結した請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
8. 前記低温エキスパンダは、50℃と−150℃との間の温度にある流入流体の流れを受けるように設けられた請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
9. 前記多段遠心性コンプレッサからの流出圧力は、2baraと165baraとの間である請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
10. 中央シャフトに張り出した配置で設けられた低温エキスパンダと、
    少なくとも２つのベアリングの間で前記中央シャフトに支持された多段遠心性コンプレッサと、
    前記中央シャフトに連結し、かつ前記多段遠心性コンプレッサの現在の動作モードに依存して前記中央シャフトに回転力を供給しまたは前記中央シャフトの回転からパワーを生み出すように設けられた電気モータ発電機結合と、を有し、
    前記電気モータ発電機結合が3つのモードで作動するように設けられ、該3つのモードは、
    前記低温エキスパンダが回転力を前記中央シャフトに供給し、前記電気モータ発電機結合が作動して電力を前記中央シャフトの回転から生み出す第１のモードと、
    前記低温エキスパンダが回転力を前記中央シャフトに供給し前記電気モータ発電機結合が追加の回転力を前記中央シャフトに供給する第２のモードと、
    前記低温エキスパンダが回転力を前記中央シャフトに供給し、前記電気モータ発電機結合が、回転力を追加しまたは電力を生み出すことなく前記中央シャフトとともに回転する第３のモードを有するとともに、
    前記低温エキスパンダは、65℃と−195℃との間の温度にある流入流体の流れを受けるように設けられたコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
11. 流体が当初前記多段遠心性コンプレッサに半径方向に流入し、加圧された流体が前記多段遠心性コンプレッサから半径方向に流出することができる請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
12. 前記多段遠心性コンプレッサが背面配置、または複流配置にある請求項１に記載のコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
13. 低温エキスパンダ内の流体を膨張させて前記低温エキスパンダを回転させて、多段遠心性コンプレッサおよびドライバ・発電機装置が直接的に同時回転のために連結する中央シャフトの回転出力を生み出し、
    もし前記低温エキスパンダからの出力が、前記コンプレッサを駆動するために要求されるものよりも小さい場合にはドライバ・発電機装置及び前記低温エキスパンダによって前記コンプレッサを駆動し、
    もし前記低温エキスパンダからの出力が前記コンプレッサを駆動するために要求されるものよりも大きい場合には、前記低温エキスパンダで前記ドライバ・発電機装置を駆動し、
    もし前記低温エキスパンダからの出力が前記コンプレッサを駆動するために要求されるものに等しい場合には、前記コンプレッサのみを前記低温エキスパンダによって駆動し、
    前記低温エキスパンダは、65℃と−195℃との間の温度にある流入流体の流れを受けるように設けられた方法。
14. 前記低温エキスパンダを前記中央シャフトに張り出した配置で設けることをさらに有する請求項１３に記載の方法。
15. 前記ドライバ・発電機装置を前記中央シャフトで支持する工程をさらに有する請求項１３に記載の方法。
16. 回転仕事を生み出す間に流体を受けかつ冷却する張り出した低温エキスパンダと、
    多輪遠心性コンプレッサと、
    前記低温エキスパンダと動作可能に連結して前記回転仕事を受けかつ前記多輪遠心性コンプレッサと連結し、第１の端部と、第２の端部と、前記エキスパンダと前記コンプレッサとの間に設けられた縦長部とを有するシャフトと、
    前記シャフトの前記縦長部を回転可能に支持するベアリングと、
    前記エキスパンダ、前記多輪遠心性コンプレッサ、前記シャフトの前記第１の端部および前記シャフトの前記縦長部を封入するケーシングと、を有し、
    前記シャフトの前記第２の端部は、前記ケーシングを通って外に延びかつ回転機構の外部部分と動作可能に連結されるように設けられ、
    前記多輪遠心性コンプレッサの流出口と少なくとも２つのベアリングの内の１つとの間で前記シャフトに沿って設けられたバランスピストンと、
    前記シャフトに沿って設けられたスラストベアリングと、を有するとともに、
    前記低温エキスパンダは、65℃と−195℃との間の温度にある流入流体の流れを受けるように設けられた装置。
17. 前記ケーシングの内部は加圧されている請求項１６に記載の装置。
18. 前記エキスパンダおよび前記多輪遠心性コンプレッサの各々は、流入口と流出口を有し、それらのいずれも直接的に前記ケーシングの外部にさらされていない請求項１６に記載の装置。
19. 前記エキスパンダは、50℃と−150℃との間の温度にある流入流体の流れに適するように設けられている請求項１６に記載の装置。
20. 前記多輪遠心性コンプレッサからの流出圧力は、2 baraから165 baraの間である請求項１６に記載の装置。
21. 中央シャフトに張り出した配置で設けられた低温エキスパンダと、
    少なくとも２つのベアリングの間で前記中央シャフトに支持された多段の遠心性コンプレッサとを有するコンプレッサ・エキスパンダ組立体であって、
    前記コンプレッサ・エキスパンダ組立体は、次のグループから選択された1または2以上の要素をさらに包含し、該グループには、前記中央シャフトに連結し前記多段コンプレッサの現在の動作モードに依存して前記中央シャフトに回転力を供給しまたは前記中央シャフトの回転からパワーを発生させるように設けられた電気モータ発電機結合、
    前記中央シャフトに連結した回転機構装置であって、
    前記回転機構装置は、回転力を前記中央シャフトに供給しまたは回転力を前記中央シャフトから受けるかのどちらかとなるように設けられ、
    前記低温エキスパンダは、半径方向流入軸方向流出エキスパンダであり、
    前記ベアリングはラジアル磁性ベアリングおよび潤滑オイルベアリングの少なくとも１つを有し、
    前記低温エキスパンダおよび前記多段遠心性コンプレッサは、単一のケーシングに含有され、前記中央シャフトは前記単一のケーシングから延びかつ前記電気モータ発電機結合と連結され、
    前記低温エキスパンダは、第１のケーシング内に含有され、かつ前記多段遠心性コンプレッサは、第２のケーシング内に含有され、前記第１および第２のケーシングは相互に連結し、
    前記コンプレッサ・エキスパンダ組立体は、前記多段遠心性コンプレッサの流出口と前記少なくとも２つのベアリングの１つとの間で前記中央シャフトに沿って設けられたバランスピストン、および前記中央シャフトに沿って設けられたスラストベアリングをさらに有し、
    前記低温エキスパンダは、65℃と−195℃との間の温度にある流入流体の流れを受けるように設けられ、
    前記多段遠心性コンプレッサからの流出圧力は2 baraと165 baraとの間であり、
    前記電気モータ発電機結合は、3つのモードで作動するように設けられ、該3つのモードは、前記低温エキスパンダが回転力を前記中央シャフトに供給しかつ前記電気モータ発電機結合が作動して前記中央シャフトの前記回転から電気パワーを生み出す第１のモードと、前記低温エキスパンダが回転力を前記中央シャフトに供給し前記電気モータ発電機結合が追加の回転力を前記中央シャフトに供給する第２のモードと、前記低温エキスパンダが回転力を前記中央シャフトに供給し前記電気モータ発電機結合が、回転力を追加することなくまたはそこから電気パワーを生み出すことなく前記中央シャフトとともに回転する第３のモードとを有し、
    流体が当初前記多段遠心性コンプレッサに半径方向に流入しかつ圧縮された流体が前記多段遠心性コンプレッサから半径方向に流出することができ、および
    前記多段遠心性コンプレッサが、背面配置、または複流配置にある、からなるコンプレッサ・エキスパンダ組立体。
22. 回転仕事を生み出す間に流体を受けかつ冷却する張り出した低温エキスパンダと、
    多輪遠心性コンプレッサと、
    前記低温エキスパンダと動作可能に連結して前記回転仕事を受けかつ前記多輪遠心性コンプレッサにも連結し、第１の端部、第２の端部および前記エキスパンダと前記コンプレッサとの間に設けられた縦長部を有するシャフトと、
    前記シャフトの前記縦長部を回転可能に支持するベアリングと、
    前記エキスパンダ、前記多輪遠心性コンプレッサ、前記シャフトの第１の端部および前記シャフトの縦長部を封入するケーシングと、
    前記多輪遠心性コンプレッサの流出口と少なくとも２つのベアリングの内の１つとの間で前記シャフトに沿って設けられたバランスピストンと、
    次のグループから選択された1または2以上の要素と、を有し、
    該グループは、
    前記シャフトに沿って設けられたスラストベアリングと、
    前記シャフトの第２の端部が前記ケーシングを通って外に延びかつ回転機構の外部部分と動作可能に連結されるように設けられ、
    前記ケーシングの内部は加圧され、
    前記エキスパンダおよび前記多輪遠心性コンプレッサの各々は、流入口および流出口を有し、そのいずれも直接的に前記ケーシングの外部に直接的にさらされておらず、
    前記エキスパンダは、65℃と−195℃との間の温度にある流入流体の流れに適するように設けられ、および
    前記多輪遠心性コンプレッサからの流出圧力は、2baraと165baraとの間にある、からなる装置。

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