(57)【要約】熱機関２のポンプ装置５０は、熱機関の作動回路１２から液体の作動流体の一部を抽出する抽出ライン６０と、抽出した作動流体をポンピングする抽出ラインポンプ５１と、抽出された作動流体を気化する抽出ライン熱交換器５２と、作動回路を周るように作動流体をポンピングする圧力作動式ポンプ５６と、を有する。抽出ラインポンプ５１および抽出ライン熱交換器５２は、液体の作動流体を加圧された動力ガスに変換するように直列に設けられている。圧力作動式ポンプは、加圧された動力ガスによって駆動する。【選択図】図１
2019516040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関のポンプ装置であって、
前記熱機関の作動回路から液体の作動流体の一部を抽出するように設けられた抽出ラインと、
抽出した前記作動流体をポンピングするための抽出ラインポンプと、
抽出した前記作動流体を気化させるための抽出ライン熱交換器と、
前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングするための圧力作動式ポンプと、を有し、
前記抽出ラインポンプおよび前記抽出ライン熱交換器は、液体の前記作動流体を加圧された動力ガスに変換するために直列に設けられ、
前記圧力作動式ポンプは、前記加圧された動力ガスによって駆動される、ポンプ装置。
【請求項２】
前記抽出ラインポンプは、前記抽出ライン熱交換器の上流に配置されている、請求項１に記載のポンプ装置。
【請求項３】
前記圧力作動式ポンプは、前記動力ガスの動作の下で液体の前記作動流体をポンピングするように設けられた少なくとも第１の容器および第２の容器を有し、
前記第１の容器および前記第２の容器の各容器は、液体の前記作動流体の受け取りおよび排出を個別に行う液体の入口および液体の出口と、前記加圧された動力ガスを受け取るガスの入口と、前記各容器から排気ガスを排出するガスの出口と、を有する、請求項１または請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項４】
前記第１の容器を、当該容器が液体の前記作動流体を前記液体の入口において受け取るとともに排気ガスを前記ガスの出口から排出する充填モードでの作動と、前記加圧された動力ガスを前記ガスの入口において受け取るとともに圧力下で前記液体の出口において液体の前記作動流体を排出するポンピングモードでの作動と、を交互に行うように、前記各容器の複数の前記入口および複数の前記出口における複数の弁を選択的に開閉するように構成されたコントローラをさらに有する、請求項３に記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記第１の容器が前記ポンピングモードにある場合に前記第２の容器を前記充填モードで作動させ、前記第１の容器が前記充填モードにある場合に前記第２の容器を前記ポンピングモードで作動させるように構成されている、請求項４に記載のポンプ装置。
【請求項６】
前記コントローラは、常に、前記第１の容器および前記第２の容器のうちの少なくとも一方の容器が前記ポンピングモードで作動するように構成されている、請求項４または請求項５に記載のポンプ装置。
【請求項７】
作動回路を有し、
前記作動回路は、熱エネルギーを熱源から前記作動回路周りの作動流体へ伝達させるとともに、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように設けられ、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のポンプ装置をさらに有する、熱機関。
【請求項８】
前記作動回路は、前記作動流体の動く方向において順に、
熱エネルギーを熱源から前記作動流体に移動させる主熱交換器と、
前記作動流体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張器と、
前記作動流体の気相を凝縮する凝縮器と、
前記ポンプ装置の前記圧力作動式ポンプと、を有する、請求項７に記載の熱機関。
【請求項９】
前記ポンプ装置における前記抽出ラインは、前記作動回路の前記主熱交換器と前記膨張器との間の前記作動流体を抽出するように設けられている、請求項８に記載の熱機関。
【請求項１０】
前記主熱交換器は、前記主熱交換器から出る前記作動流体が液体となるように構成されている、請求項８または請求項９に記載の熱機関。
【請求項１１】
前記膨張器は、前記膨張器から出る前記作動流体の少なくとも一部が液体となるように構成されている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項１２】
前記膨張器は、二相膨張器である、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項１３】
前記作動流体を液体流れとガス流れとに分離するために前記作動回路の前記膨張器と前記凝縮器との間に配置された相分離器をさらに有し、
前記作動回路は、前記液体流れが前記凝縮器を避けるように設けられている、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項１４】
前記相分離器は、前記相分離器が液体の前記作動流体を前記圧力作動式ポンプに提供し、前記圧力作動式ポンプから使用されたガスを受け取るように、前記圧力作動式ポンプに流体連通している、請求項１３に記載の熱機関。
【請求項１５】
前記作動流体は、水蒸気の沸点よりも低い沸点を有し、
前記熱機関は、有機ランキンサイクルである、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項１６】
熱エネルギーを作動流体に移動させ、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成された作動回路と、前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングするためのポンプ装置と、を有する熱機関の作動方法であって、
前記作動回路から液体の前記作動流体の一部を抽出し、
抽出された液体の前記作動流体をポンピングし、加圧された動力ガスを供給するために抽出された前記作動流体を気化し、
前記作動流体が前記作動回路周りにポンピングされるように、前記加圧された動力ガスを前記ポンプ装置の圧力作動式ポンプに供給する、作動方法。
【請求項１７】
図面を参照して本明細書に実質的に記載されたポンプ装置または熱機関。
【請求項１８】
図面を参照して本明細書に実質的に記載された熱機関の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関のためのポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するために使用される。典型的な熱機関の一例としては、作動流体の膨張によって仕事が発生し、作動流体を液体から気体へ、またはその逆に相を変化させるランキンサイクルがある。
【０００３】
作動回路は、典型的には、一定量の作動流体を含む閉システムである。作動流体は、典型的には、機械式ポンプによって作動回路周りにポンピングされる。しかしながら、従来の機械式ポンプは、比較的高い機械的損失を受ける。
【発明の概要】
【０００４】
したがって、熱機関のための改良されたポンプ装置を提供することが望ましい。
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、熱機関のポンプ装置が提供される。当該ポンプ装置は、前記熱機関の作動回路から液体の作動流体の一部を抽出するように構成された抽出ラインと、抽出された液体の前記作動流体をポンピングするための抽出ラインポンプと、抽出された前記作動流体を気化させる抽出ライン熱交換器と、前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングする圧力作動式ポンプと、を有する。前記抽出ラインポンプおよび前記抽出ライン熱交換器は、前記液体作動流体を加圧された動作ガスに変換するように直列に設けられている。前記圧力作動式ポンプは、前記加圧された動力ガスによって駆動される。
【０００６】
前記抽出ラインは、流速で（例えば、体積流量で）前記作動流体の少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも１５％を抽出するように構成することができる。前記抽出ラインは、流量で前記作動流体の１％未満、２％未満、５％未満、１０％未満または１５％未満を抽出するように配置されてもよい。前記抽出ラインは、流量で前記作動流体の１％〜２０％、２％〜１８％、５％〜１５％、または８％〜１２％を抽出するように構成されてもよい。
【０００７】
前記抽出ラインポンプは、前記抽出ライン熱交換器の上流に配置されてもよい。
【０００８】
前記圧力作動式ポンプは、動力ガスの作用下で液体の前記作動流体をポンピングするように構成された少なくとも第１の容器および第２の容器を備えていてもよい。前記第１の容器および前記第２の容器の各容器は、液体の前記作動流体の受け取りおよび排出のための液体の入口および液体の出口と、前記加圧された動力ガスを受け取るガスの入口と、前記各容器から排気ガスを排出するためのガスの出口と、を有する。前記液体の入口および前記液体の出口は、単一の液体ポートとして提供され、対応する入口弁および出口弁は、液体ポートに結合される入口ラインおよび出口ラインに設けられていてもよい。同様に、前記ガスの入口および前記ガスの出口は、単一のガスポートとして提供され、対応する入口弁および出口弁は、ガスポートに結合された入口ラインおよび出口ラインに設けられていてもよい。
【０００９】
前記ポンプ装置は、コントローラをさらに有する。前記コントローラは、前記容器が前記液体の入口から液体の前記作動流体を受け取るとともに前記ガスの出口から排気ガスを排出する充填モードでの作動と、前記容器が前記ガスの入口から前記加圧された動力ガスを受け取るとともに圧力下で液体の前記作動流体を前記液体の出口から排出するポンピングモードでの作動と、を交互に行うように、前記各容器の前記入口と前記出口の弁を選択的に開閉するように構成されている。前記コントローラは、前記第１の容器が前記ポンピングモードにある場合に前記第２の容器を前記充填モードで作動し、前記第１の容器が前記充填モードにある場合に前記第２の容器をポンピングモードで作動するように構成されてもよい。前記コントローラは、常に（熱機関の動作中に）、前記第１の容器および前記第２の容器のうち少なくとも一方の容器が、前記ポンピングモードで作動するように構成されてもよい。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、熱機関が提供される。当該熱機関は、作動回路を有し、前記作動回路は、熱源からの熱エネルギーを前記作動回路周りを流れる作動流体に伝達し、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように設けられている。前記熱機関は、前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングするための本発明の第１の態様におけるポンプ装置をさらに有する。
【００１１】
前記作動回路は、作動流体の動く方向において順に、前記熱源から前記作動流体に熱を伝達するための主熱交換器と、前記作動流体中の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張器と、前記作動流体の気相を凝縮させる凝縮器と、前記ポンプ装置の前記圧力作動式ポンプと、を有する。
【００１２】
前記ポンプ装置の前記抽出ラインは、前記作動回路の前記主熱交換器と前記膨張器との間から前記作動流体を抽出するように設けてもよい。前記主熱交換器は、前記主熱交換器を出るときの前記作動流体が液体であるように構成してもよい。前記作動流体は、前記主熱交換器を出るときに０％の乾燥度を有してもよい。前記膨張器は、前記膨張器から出る前記作動流体の少なくとも一部が液体、例えば過冷却液体、０％乾燥飽和液体（０％  ｄｒｙ  ｓａｔｕｒａｔｅｄ  ｌｉｑｕｉｄ）、または液相と気相を含む二相流となるように構成してもよい。前記膨張器は、二相膨張器であってもよい。
【００１３】
前記熱機関は、前記作動回路の前記膨張器と前記凝縮器との間に配置され、前記作動流体を液体流れおよびガス流れに分離する相分離器をさらに備えてもよい。前記作動回路は、前記液体流れが前記凝縮器を避けるように配置されてもよい。前記相分離器は、前記相分離器が前記圧力作動式ポンプに液体の前記作動流体を供給し、前記圧力作動式ポンプから排気ガスを受け取るように前記圧力作動式ポンプに流体連通してもよい。
【００１４】
前記作動流体は、水蒸気の沸点よりも低い沸点を有することができ、前記熱機関は、有機ランキンサイクルであってもよい。前記作動流体の沸点は、同一圧力条件下での水蒸気の沸点より低くてもよいことは理解されよう。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、熱エネルギーを作動流体に伝達し、前記熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成された作動回路と、前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングするポンプ装置と、を有する熱機関の作動方法が提供される。当該方法によれば、前記作動回路から液体の前記作動流体の一部を抽出するステップと、抽出された前記作動流体をポンピングし、抽出された前記作動流体を気化させて加圧された動力ガスを提供するステップと、前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングするために、前記加圧された動力ガスを前記ポンプ装置の前記圧力作動ポンプに供給するステップと、を有する。
【００１６】
前記圧力作動式ポンプは、容積型ポンプであってもよい。
【００１７】
前記方法は、本発明の第１の態様に従って前記圧力作動式ポンプを操作するステップ、および／または、本発明の第２の態様に従って前記熱機関を操作するステップを有してもよい。
【００１８】
他の態様では、前記ポンプ装置は、熱機関の作動回路から気体の作動流体および／または液体の作動流体の一部を抽出するように構成された抽出ラインを有してもよい。
【００１９】
特に、第４の態様によれば、熱機関のポンプ装置が提供される。当該ポンプ装置は、前記熱機関の作動回路から作動流体の一部を抽出するように設けられた抽出ラインと、抽出された前記作動流体を加圧し、加圧された動力ガスを提供するように構成された推進装置と、前記作動回路を周るように前記作動流体をポンピングするための圧力作動式ポンプと、を備える。前記圧力作動式ポンプは、前記加圧された動力ガスによって駆動される。前記推進装置は、抽出された前記作動流体を加圧してもよい。
【００２０】
前記推進装置は、抽出された前記作動流体を圧縮する圧縮であってもよい。例えば、前記作動流体は気体の形態で抽出されてもよく、前記圧縮器によって圧縮されてもよい。前記圧縮器は、例えば、少なくとも１つのロータ、または複数のロータおよびステータを備える機械的圧縮器であってもよい。
【００２１】
あるいは、前記抽出ラインは、液体の前記作動流体を抽出するように構成されてもよく、前記抽出された液体の前記作動流体を気化させるための抽出ライン熱交換器をさらに含んでもよい。前記推進装置は、例えば圧縮器は、前記抽出ライン熱交換器の下流に配置されてもよく、前記抽出ライン熱交換器から分離されてもよい。
【００２２】
あるいは、前記推進装置は、前記抽出ライン熱交換器の上流に配置されてもよい。例えば、前記推進装置は液体ポンプであってもよく、前記ポンプ装置は本発明の第１の態様によるものであってもよい。
【００２３】
本発明の第４の態様によるポンプ装置または熱機関は、互いに排他的であるような組み合わせを除いて、本発明の第１の態様のポンプ装置の特徴の任意の組合せを有することができる。例えば、本発明の第４の態様によるポンプ装置は、本発明の第１の態様で特定されたあらゆる特徴に加えて、気体の作動流体（液体の作動流体ではなく）を抽出するように構成することができ、また、圧力作動式ポンプを有してもよい。
【００２４】
前記主熱交換器は、金属性の熱交換部品を有することができる。例えば、熱交換器は、金属チューブを有するシェルアンドチューブ型熱交換器であってもよい。
【００２５】
前記圧力作動式ポンプは、０．１ｍ３〜１００ｍ３の容量を備える容器を有してもよい。
【００２６】
本発明の第５の態様によれば、熱エネルギーを作動流体に伝達し、前記熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成された作動回路と、前記作動流体を前記作動回路周りにポンピングするポンプ装置と、を有する熱機関の作動方法が提供される。当該作動方法は、前記作動回路から前記作動流体の一部を抽出するステップと、抽出された前記作動流体を推進して加圧された動力ガスを提供する工程と、前記作動流体が前記作動回路を周りようにポンピングするために、前記加圧された動力ガスを前記ポンプ装置の前記圧力作動式ポンプに供給するステップと、を有する。
【００２７】
抽出された前記作動流体を推進するステップは、抽出された前記作動流体を圧縮するステップを含んでもよい。
【００２８】
前記作動流体の一部は、前記作動流体が液体である前記作動回路の一部から抽出することができる。この方法は、例えば圧縮器を用いて推進する前に、抽出された液体の前記作動流体を気化させることを含んでもよい。
【００２９】
あるいは、前記方法は、例えば液体ポンプを用いて、抽出された液体の前記作動流体をポンピングし、例えば熱交換器を用いて本発明の第３の態様のように抽出された液体流体を気化させることを含んでもよい。前記熱交換器は、前記液体ポンプの下流にあってもよい。
【００３０】
ここで、添付の図面を参照して、本発明を例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、一の例に係る熱機関を示す概略図である。
【図２】図２は、他の例に係る熱機関を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、熱源からの熱エネルギーを機械エネルギーに変換する一の例に係る熱機関２を示す。この例では、熱源は、蒸気システムからの凝縮流１００である。熱機関２は、作動回路１２を有する。作動回路１２は、作動回路１２周りの作動流体の輸送のために、主熱交換器１４と、膨張器１６と、相分離器１８と、凝縮器２０と、圧力作動式ポンプ５６と、を含む。作動流体は、作動回路１２周りを流れる。
【００３３】
熱機関２は、作動流体を作動回路１２周りにポンピングするためのポンプ装置５０をさらに有する。ポンプ装置５０は、抽出ラインポンプ５１と、抽出ライン熱交換器５２（または二次熱交換器）と、バッファタンク５３と、圧力作動式ポンプ５６（作動回路１２の一部を形成する）と、を有する。
【００３４】
主熱交換器１４の熱源側は、凝縮流１００を受け取るように設けられており、主熱交換器１４のヒートシンク側の作動流体が加熱される。主熱交換器１４は、流体ラインによって膨張器１６に流体的に連結されており、加熱された作動流体は、膨張器１６に流れてより低い圧力まで膨張する。発電機１７は、膨張器１６から電気エネルギーを生成するために、膨張器１６に連結される。
【００３５】
膨張器１６の出力は、流体ラインによって相分離器１８に流体的に連結されている。相分離器１８は、膨張した作動流体の液体相と気相を別々の流れに分離するように構成されている。本実施形態では、相分離器１８は、当技術分野で知られているような単純な重力に基づく分離容器である。他の実施形態では、相分離器は、液体サイクロンのような遠心分離器であってもよい。相分離器１８は、液体の作動流体および気体の作動流体の両方を貯蔵することができるサージタンクまたはバッファタンクを備えており、作動回路が一時的に非平衡状態で動作しているときに（すなわち、主熱交換器１４における熱入力の速度の変化が原因で）、いずれかを用いることができる。
【００３６】
相分離器１８は、流体ラインによって凝縮器２０に流体的に連結されており、膨張した作動流体の気相流れが相分離器１８の下流で凝縮される。凝縮器２０は、作動流体の気相流を受ける熱源側と、冷却水等の冷却流体を受けるヒートシンク側と、を有する。
【００３７】
凝縮器２０の下流において延びる流体ラインおよび相分離器１８の下流において延びる流体ラインは合流しており、凝縮器２０からの凝縮した（液体の）作動流体が相分離器１８からの液体の作動流体と合流する。
【００３８】
凝縮器２０および相分離器１８からの液体の作動流体を運ぶ流体ラインは、以下で詳細に説明するように、作動回路１２周りに液体の作動流体をポンピングするように構成された圧力作動式ポンプ５６に連結される。
【００３９】
ポンプ装置５０は、作動回路１２の流体ラインに配置され、作動回路１２から作動流体の一部を抽出するように構成された抽出弁５８を有する。この特定の例では、抽出弁５８は、圧力作動式ポンプ５６と主熱交換器１４との間の流体ラインに配置されている。抽出ライン６０が抽出弁５８に連結されており、作業流体の一部を作動回路１２から抽出ライン６０に抽出することができる。
【００４０】
この例では、抽出ライン６０は、抽出された液体の作動流体が最初に抽出ラインポンプ５１を通り、次に抽出ライン熱交換器５２を通って搬送されるように（すなわち、直列に）構成される。抽出ライン６０は、抽出ラインポンプ５１に流体連通されており、抽出ラインポンプ５１は、抽出ライン熱交換器５２へ向かう流体ラインを通る抽出された作動流体を推進し、それによって抽出された作動流体を加圧するように構成される。抽出ライン熱交換器５２は、熱い凝縮流１００を熱源側において受け、ポンプ５１からの抽出された作動流体をヒートシンク側において受けるように構成される。抽出ライン熱交換器５２は、ポンプ５１とは分離しており、作動流体を気化させて加圧された（すなわち、主熱交換器１４と膨張器１６との間の作動流体に対して高い圧力の）動力ガスを提供するように構成される。
【００４１】
この特定の例では、抽出ライン熱交換器５２と圧力作動式ポンプ５６との間にバッファタンク５３があり、加圧された動力ガスの供給の用意がされる。加圧された動力ガスは、例えば、熱機関のコントローラが作動流体の流量の増加を開始した場合に利用される。
【００４２】
圧力作動式ポンプ５６は、加圧された動力ガスを受け取り、作動回路１２周りの相分離器１８および凝縮器２０から受け取った液体の作動流体を駆動するように構成される。圧力作動式ポンプ５６は、第１および第２のポンプ容器６２、６４を有する。第１および第２のポンプ容器６２、６４のそれぞれは、ガスの入口６６と、ガスの出口６８と、液体の入口７０と、液体の出口７２と、を有し、各部には制御弁７４、７６、７８、８０が設けられている。ガスの入口６６およびガスの出口６８は、同じ場所、例えば、単一のガスポート内にあってもよい。ガスの入口６６およびガスの出口６８のための制御弁７４、７６は、それぞれガスの入口６６またはガスの出口６８に通じる流体ラインまたは共通ポートに設けられてもよい。同様に、液体の入口７０および液体の出口７２は、同じ場所、例えば、単一の液体ポート内に同じ場所にあってもよい。液体の入口７０および液体の出口７２のための制御弁７８、８０は、液体の入口７０または液体の出口７２に通じる流体ラインまたは共通ポートに設けられていてもよい。
【００４３】
圧力作動式ポンプ５６は、第１および第２のポンプ容器６２、６４のそれぞれが充填モードまたはポンピングモードのいずれかで作動できるように、各入口の弁および出口の弁を個別に制御するように構成されたコントローラ８２を有する。充填モードでは、各容器は、相分離器１８および凝縮器２０からの液体の作動流体を受け入れて貯蔵するように構成されているので、ガスの出口６８および液体の入口７０の弁７６、７８はそれぞれ開かれ、気体の入口６６および液体の出口７２のそれぞれ弁７４、８０は閉じられている。ポンピングモードでは、それぞれの容器は、バッファタンク５３を介して液体ポンプ５１および抽出ライン熱交換器５２から受け取った加圧された動力ガスの作用により、それぞれの容器に貯蔵された液体の作動流体をポンプ排出するように構成されているので、気体の入口６６および液体の出口７２の弁７６、７８はそれぞれ開いているが、気体の出口６８および液体の入口７０の弁７６、７８はそれぞれ閉じられている。
【００４４】
作動中に作動流体を常にポンピングするために、コントローラ８２は、熱機関の作動中に、第１および第２のポンプ容器６２、６４の少なくとも一方（この例では、１つだけ）が（作動中の）いずれかの時点でポンピングモードとなり、他方の容器６２、６４が充填モードで動作するように構成されている。したがって、第１および第２の容器６２、６４は、それぞれポンピングモードおよび充填モードで交互に作動するように構成されている。
【００４５】
充填中、液体の作動流体が各容器６２、６４に受け入れられると、ガスは、各容器６２、６４から移動される。ガスは、流体ラインによって相分離器１８と流体連通しているガスの出口６８を介して排出される。従って、相分離器１８で受け取られた容器６２、６４からのガスは、圧力作動式ポンプ５６に液体の作動流体として戻る前に、膨張器１６からの作動流体のガス流れと混合され、その後凝縮器２０で凝縮された後、作動回路１２に再合流する。他の実施形態では、ガスは、ガスの出口６８から直接凝縮器２０に排出されてもよい。
【００４６】
熱機関のためのコントローラが、熱機関の動作を制御するために設けられている。具体的には、コントローラは、少なくとも凝縮流１００の温度、作動回路１２周りの様々な位置での作動流体の温度、圧力、および乾燥率（ｄｒｙｎｅｓｓ  ｆｒａｃｔｉｏｎ）を監視してもよい。コントローラは、システムの様々な部分の動作を制御して、システムが所望のように動作し続けることを保証してもよい。例えば、コントローラは、凝縮流１００の温度または質量流量の増加に応じて、圧力作動式ポンプ５６の流量を増加させてもよい。この例では、圧力作動式ポンプ５６のコントローラ８２は、熱機関のコントローラとしての機能をさらに有しているが、他の例では、熱機関用のコントローラが、圧力作動式ポンプ５６のコントローラ８２に接続されてもよい。コントローラ８２は、抽出弁５８によって抽出された作動流体の割合を調整するように、および／または、作動流体の流量を調整するために、液体ポンプ５１の圧縮比を調整するように構成してもよい。コントローラ８２は、様々なバッファタンクに貯蔵された液相および気相の作動流体のレベルを監視し、レベルに応じてシステムの様々なパラメータを調整してもよい。例えば、より多くの液体の作動流体が必要な場合、コントローラは、凝縮器２０内の冷却液の流量を増加させるか、または、凝縮流１００の質量流量を低減させて、作動回路１２の全体の作動流体の温度を低下させることができる。コントローラは、凝縮流１００の質量流量を制御するように構成されてもよい。例えば、主熱交換器１４で作動流体が蒸発しているとコントローラが判断した場合、これは、低減される。
【００４７】
熱機関２を作動させる方法の一例を以下に説明する。この例では、熱機関２は、主熱交換器１４と膨張器１６との間に液相のまま作動流体が残るように構成されている。したがって、膨張器１６は、スクリュー型膨張器などの二相膨張器であり、膨張器１６を出る作動流体の流れの一部が多相流であるように構成されている。このタイプの熱機関は、３側面フラッシュサイクルと呼ぶことができる。
【００４８】
この例では、作動流体は、不活性ガス冷媒であるテトラフルオロエタン（１、１、１、２−テトラフルオロエタンまたはＲ−１３４ａとして、またはＧｅｎｅｔｒｏｎ（登録商標）１３４ａのような多くの製品名で知られている）である。
【００４９】
熱源は、蒸気システムからの８０℃の液体水の凝縮流１００であり、主熱交換器１４の熱源側に７．２ｋｇ／ｓの流量で受け入れられる。冷却流体は、１５℃の液体水であり、凝縮器２０のヒートシンク側で６８．８ｋｇ／ｓの流量で受け入れられる。
【００５０】
圧力作動式ポンプ５６と主熱交換器１４との間で、作動流体は、２１．８９ｂａｒの圧力（ゲージ）および２１．９℃の液相である（過冷却液体または飽和温度で０%の乾燥率の液体であり得る）。
【００５１】
上述のように、この例では、抽出弁５８は、圧力作動式ポンプ５６と主熱交換器１４との間に配置され、液体作動流体の一部を抽出するように構成される。
【００５２】
この例では、作動流体の主要部は、圧力作動式ポンプ５６と主熱交換器１４と二相膨張器１６との間の流体ラインに沿って抽出弁５８を通過して流れる（約９０質量％）。抽出弁５８は、流体ラインから作動流体の一部（約１０質量％）を抽出し、抽出した流体を抽出ライン６０に沿って抽出ラインポンプ５１に転向する。この抽出された部分は、膨張器１６を通って流れず、機械仕事/エネルギーを発生させないので、作動回路の一部とは考えられない。この特定の例では、一部を抽出する前の作動回路１２における総質量流量は１３．３５ｋｇ／ｓであり、抽出部分の質量流量は１．３２ｋｇ／ｓである。
【００５３】
抽出ラインポンプ５１は、抽出された液体の作動流体を２３．５９ｂａｒの圧力に加圧し、下流の抽出ライン熱交換器５２に向けて推進させる。抽出ラインポンプ５１は、液体のポンピング（すなわち、液体ポンプ）に適した任意のタイプのものである。例えば、抽出ラインポンプ５１は、遠心式、ピストン式、ベーン式またはスクロール式のポンプであってもよい。この特定の例では、抽出ラインポンプ５１は、抽出された作動流体の受け入れおよび排出をするポートを含む密閉ハウジング内に配置された磁気駆動ロータを有する。したがって、ハウジングは、回転軸を受けるためのポートまたは開口部を有さず、ロータの潤滑は不要である。この例では、抽出ラインポンプ５１を操作するための軸動力は０．８２１３ｋＷである。
【００５４】
抽出ライン熱交換器５２は、凝縮流１００を熱交換器５２の熱源側において受け取り、抽出ラインポンプ５１から抽出した作動流体をヒートシンク側において受け取り、熱は、凝縮流１００から抽出された作動流体に伝わり、抽出された作動流体を蒸発させる。結果として、抽出された流体は、加圧された動力ガス（例えば、１００%乾燥率）として抽出ライン熱交換器５２を出る。この例では、抽出された作動流体の温度が抽出ライン熱交換器５２を通過するときに２１．９℃から７１．５℃に上昇し、圧力が２３．４９ｂａｒにわずかに低下する。
【００５５】
加圧された動力ガスは、上述したように作動流体が作動回路１２の周りを駆動するような方法でポンプ容器６２、６４に流れる。
【００５６】
主要な作動回路１２を再び参照すると、作動流体の主要部分が主熱交換器１４を流れると、その温度は７６．５℃に上昇する。作動流体は液相のままである。これに対応して、凝縮流１００の温度は、主熱交換器１４を通って流れるときに８０℃から２８．９℃に低下し、ドレイン１０１に達する。他の実施形態では、作動流体は、加熱され、主熱交換器１４の後に例えば、２０％乾燥率の飽和流体（８０%飽和液体、２０%飽和蒸気）の二相になる。
【００５７】
作動流体の主要部分は、作動回路１２に沿って、主熱交換器１４から二相膨張器１６へと流れ続ける。流体が二相膨張器１６を通って流れるとき、圧力は６．７７ｂａｒに低下し、温度は２５．６℃に低下する。膨張器１６は、作動流体が膨張するにつれて約６１．１ｋＷの機械的出力を抽出する。膨張器１６を出る作動流体は、液体相と気相（約４２%の乾燥率）とを含み、相分離器１８に入り、別箇の液体流および気体流に分離する。
【００５８】
作動流体の気相は凝縮器２０の熱源側を通って凝縮し、わずかに冷却される。これに対応して、冷却水の温度が上昇する（この例では１５℃から２０．６℃）。
【００５９】
相分離器１８からの液体の作動流体および凝縮器２０からの液体の作動流体の２つの流れは、６．４３ｂａｒの圧力および２０．９℃の温度で圧力作動式ポンプ５６の上流で合流する。
【００６０】
圧力作動式ポンプ５６は、２３．４９ｂａｒの圧力で高温（７１．５℃）の加圧された動力ガスを受け取り、加圧されや動力ガスは、相分離器１８および凝縮器２０から受け取った液体の作動流体の加圧およびポンピングのために、コントローラ８２によってポンプ容器６２，６４に選択的に交互に分配される。作動流体の温度は、加圧され、比較的高温の加圧動作ガスとの接触により２１．９℃に増加する。
【００６１】
加圧された液体の作動流体は、２１．８９ｂａｒの圧力および２１．９℃の圧力で圧力作動式ポンプ５６を出て、主熱交換器１４に流れる。
【００６２】
上で概説したように、作動回路１２の熱サイクルが繰り返される。熱サイクルは、熱機関２のコントローラによって制御される。例えば、コントローラは、上述したように、熱機関２の異なる部分での作動流体の、温度、圧力、および乾燥率に依存して、凝縮流１００、冷却流体１０２、および作動流体の質量流量を調整することができる。
【００６３】
出願人は、作動流体の一部（約２０％）の抽出と、その後の圧力作動式ポンプ５６内の加圧された動力ガスとして使用するための加圧および気化とが、液体の作動流体の機械的なポンプとしての使用と比較して、著しい効率の節約になることを計算して確かめた。
【００６４】
特に上記の例に基づいて、本出願人は、二相膨張器１６からの出力が約５５ｋＷ、ポンプ装置５０の抽出ラインポンプ５１を駆動するために約０．４ｋＷの電力入力を必要とすることを計算した。したがって、正味電力回収率は約５４．６ｋＷである。
【００６５】
比較のために、本出願人は、作動回路１２の周囲に液体の作動流体をポンピングための従来の機械式ポンプを使用する修正システムでは、約６４ｋＷの（作動流体の１００％が作動回路１２に使用されるので、上記より僅かに高い）出力を生じるが、約３７ｋＷという非常に高い入力電力（ポンプ製造元のデータに基づく）が必要であることを計算した。
【００６６】
従って、作動流体の一部を抽出し、加圧し、蒸発させて、作動流体を圧力作動式ポンプを用いて作動回路を周るように作動させると、全体的にかなり高い出力が得られることが分かる（すなわち、必要な電力入力を考慮した場合）。作動回路１２は閉システムであるため、圧力作動式ポンプの使用は、高圧の動力ガスの供給を必要とするため、以前は考慮されていなかった。しかし、上記の例は、作動流体自体から高圧の動力ガスを発生させ、最終的に凝縮して主の作動流体に再結合する。したがって、時間の経過とともに作動回路内に作動流体が正味に追加または減少することはない（すなわち、閉システムのままである）。
【００６７】
これらの効率の節約は、作動回路を周るように高密度の液体流体をポンピングするのに必要な比較的高い出力に対して、作動流体を加圧するために必要とされる比較的低い電力の結果の一部である。二相膨張器を有する従来の熱機関では、作動流体が（部分的にであっても）蒸発する熱機関の唯一の部分は、膨張器の下流の低圧領域にある。しかし、この流体の低圧のために、圧力作動式ポンプで使用するために流体のこの部分を圧縮することは実現可能ではない。
【００６８】
さらに、本出願人は、抽出ライン６０で使用する液体ポンプは、使用中の作動流体への潤滑剤の添加や独立した潤滑剤の供給（例えば、潤滑油）を必要としないことを見出した。この特定の例では、作動流体は、約１重量％の潤滑剤を含み、潤滑剤は、液体ポンプを潤滑するためというよりも、膨張器１６を維持する目的でこのレベルで設けられている。
【００６９】
この特定の例では、液体ポンプは、磁気的に駆動されるロータと、モータに結合された外部ドライバとを有する。外部ドライバは、ポンプ内の作動流体に晒されない。
【００７０】
図２は、他の例に係る熱機関４を概略的に示す。他の例に係る熱機関４は、抽出ライン６０が、上記の抽出ラインポンプ５１および抽出ライン熱交換器５２の代わりに、抽出された作動流体を抽出ライン熱交換器５２および圧縮器５４に（所定の順序で）輸送する点で、上記の熱機関２とは異なる。さらに、抽出ライン６０は、主熱交換器１４と膨張器１６との間に配置された抽出弁５８から延びている。
【００７１】
使用中、液体の作動流体は、主熱交換器１４と膨張器１６との間の抽出弁５８で抽出され、抽出ライン６０によって抽出ライン熱交換器５２に輸送される。したがって、この例では、抽出された作動流体は、温度７１．５℃、圧力２１．８９ｂａｒである。この例では、１．３２ｋｇ／ｓの作動流体が、作動回路内の合計１３．３５ｋｇ／ｓの作動流体から抽出される。
【００７２】
抽出ライン熱交換器５２は、抽出された液体の作動流体を蒸発させるために上述した方法と同じ方法で動作する。この例では、抽出された作動流体への熱入力は、温度上昇なしに液体から気体への状態変化（すなわち液冷媒から飽和気体冷媒への相変化）を引き起こし、熱交換器５２は、７１．５℃の乾式飽和作動流体を排出する。抽出ライン熱交換器５２は、流体ラインによって圧縮器５４に連結されており、加圧された動力ガスを提供するために蒸発した流体は圧縮される（すなわち、主熱交換器１４と膨張器１６との間の作動流体と比較して高い圧力）。
【００７３】
この例では、圧縮器は圧縮するように作動し、それによって、気化した流体を過熱して、２３．３９ｂａｒおよび７６．１３℃で過熱された、加圧された動力ガスを提供するように動作する。
【００７４】
加圧された動力ガスは、上述したように、圧力作動式ポンプ５６への供給の準備がされるように、バッファタンク５３に供給される。
【００７５】
上述の例に基づいて、本出願人は、二相膨張器１６からの出力が約５５ｋＷ、ポンプ装置５０の圧縮器５４を駆動するために約１．６ｋＷの電力入力を必要とすることを計算した。したがって、正味動力回収（ｎｅｔ  ｐｏｗｅｒ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ）は、約５３．４ｋＷである。
【００７６】
この例では、圧縮器は、蒸発した抽出された作動流体を過熱するように作動される。これは、それぞれの流体ラインに沿った冷却が過熱量よりも小さい場合、圧縮器５４と圧力作動式ポンプ５６との間の流体ラインにおける作動流体の凝縮が回避され得るので、操作上の利点を有し得る。過熱流体は、典型的には、より低い熱伝導率を有し、それによって熱損失を最小限に抑えることができる。さらに、水撃（ｗａｔｅｒ  ｈａｍｍｅｒ）のような有害な流れの影響は、過熱された作動流体を使用することによって回避することができる。
【００７７】
ガスの作動流体を圧縮および過熱するために必要なエネルギーは、第１実施例の液体ポンプ５１への動力入力と比較して、圧縮器５４への動力入力の差に寄与する。
【００７８】
本出願人は、ガス状作動流体を圧縮して推進する圧縮器は、（例えば、液体ポンプと比較して）比較的高レベルの潤滑剤を必要とし得ることを見出した。この特定の例では、本出願人は、オイルなどの潤滑剤が圧縮器内のガス状作動流体中に浮遊することがあり、下流バッファタンク５３内に集まり得ることを見出した。したがって、この例では、圧縮器に十分な潤滑剤が供給されるように、高い割合の潤滑剤を有する（例えば、５重量％）。例示的な圧縮器は、往復ピストン圧縮器である。このような圧縮器には、一体化された槽（ｓｕｍｐ）中に潤滑剤供給部を設けることができる。当該技術分野で知られているようなこのような圧縮器は、比較的低い容積の作動流体で作動する流体回路（例えば、加熱または冷凍用）に配備することができる。したがって必要な潤滑剤の絶対量はそれに対応して少ない（すなわち、流体回路内の作動流体の総量に比例し得る）。本明細書に記載された例では、全作動流体の比較的少量の部分（抽出部分）を圧縮するために圧縮器が抽出ライン６０内に設けられるが、作動流体の抽出された部分は最終的に作動流体の主流に再合流する。したがって、比較的多い絶対量の潤滑剤が必要とされ得、抽出ライン６０および作動回路１２の主流路の両方における作動流体の総量に比例し得る。他の例では、オイルセパレータが、作動流体からオイルを回収するためにバッファタンク５３内に設けられていてもよいし、流体連通するように設けられてもよいし、圧縮器の補充リザーバや一体化された槽と流体連通してもよい。
【００７９】
さらなる例では、主熱交換器と膨張器との間の作動流体は二相であってもよい。例えば、抽出された作動流体を加圧する（例えば、圧縮器を使用して）前に、抽出された作動流体の液相成分を気化させるように抽出ライン熱交換器を設けてもよい。
【００８０】
さらなる例では、熱機関は、主熱交換器１４、例えば、有機ランキンサイクル（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｒａｎｋｉｎｅ  Ｃｙｃｌｅ：ＯＲＣ）熱機関を通過する際に蒸発によって作動流体が気化するように構成することができる。このような実施形態では、ポンプ装置５０は、主熱交換器１４と膨張器１６との間から気化した作動流体を抽出し、抽出された作動流体を気化させるための抽出ライン熱交換器５２は不要である。従って、このような例では、抽出ライン熱交換器５２が存在しなくてもよい。例えば、抽出ライン６０は、抽出弁５８から圧縮器５４に直接抽出された作動流体を運ぶことができる。しかしながら、作動流体からの濡れを取り除くために（例えば、作動流体が１００％の乾燥率を有するように）、抽出ライン熱交換器５２を設けることが好ましい。
【００８１】
ＯＲＣ熱機関では、膨張器１６は、タービンなどの乾燥蒸気で作動するように構成された従来の膨張器である。その結果、膨張器を出る作動流体もまた乾燥し、膨張器と凝縮器との間に相分離器を設ける必要はない。同様に、ポンプ容器からのガスは、凝縮器に直接排出される。
【００８２】
ＯＲＣのための適切な作動流体の例は、ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２４５ｆａまたは１，１，１，３，３、−ペンタフルオロプロパンとしても知られている）である。
【００８３】
上記の各例では、作動流体を加圧するために、圧力作動式ポンプの上流の抽出ラインに推進装置５１、５４がある（すなわち、抽出ラインから抽出された作動流体を受け取るように配置されている）。例えば、推進装置は、抽出された液体の作動流体をポンピングするための抽出ラインポンプであってもよいし、抽出されたガスの作動流体（ガス状で抽出されてもよいし、抽出ライン熱交換器による抽出後に気化されてもよい）を圧縮するための圧縮器であてもよい。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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