(57)【要約】  ランキンサイクルシステムは、熱源から熱を受け取り、熱源からの熱を除去するための作動流体を循環させるように構成された蒸発器と、蒸発器に流動連通され、蒸発器から給送される作動流体を膨張させるように構成された膨張器と、膨張器に流動連通され、膨張器から給送される作動流体を凝縮させるように構成された復水器と、復水器に流動連通され、復水器から給送される作動流体を圧送するように構成されたポンプと、ポンプからの作動流体の第１の部分を蒸発器に給送するための第１の導管と、ポンプからの作動流体の第２の部分を膨張器に給送するための第２の導管とを含む。【選択図】図１
2014505192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から熱を受け取り、前記熱源からの熱を除去するための作動流体を循環させるように構成された蒸発器と、
前記蒸発器に流動連通され、前記蒸発器から給送される前記作動流体を膨張させるように構成された膨張器と、
前記膨張器に流動連通され、前記膨張器から給送される前記作動流体を凝縮させるように構成された復水器と、
前記復水器に流動連通され、前記復水器から給送される前記作動流体を圧送するように構成されたポンプと、
前記ポンプからの前記作動流体の第１の部分を前記蒸発器に給送するための第１の導管と、
前記ポンプからの前記作動流体の第２の部分を前記膨張器に給送するための第２の導管と
を備えるランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記作動流体が有機作動流体を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記膨張器が膨張器構成要素を備え、前記作動流体の前記第２の部分が、前記膨張器構成要素のうちの少なくとも１つを冷却するために前記膨張器に給送される、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記膨張器構成要素が、ケーシング、軸受、シャフトおよび羽根車を含み、前記軸受、前記シャフトおよび前記羽根車が前記ケーシング内に配置される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
結合デバイスをさらに備え、前記第２の導管が前記結合デバイスを介して前記膨張器に結合される、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記膨張器に給送される前記作動流体の前記第２の部分の流れを制御するように構成された調節デバイスをさらに備える、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記調節デバイスが、前記膨張器構成要素のうちの少なくとも１つの温度に基づき、前記膨張器に給送される前記作動流体の前記第２の部分の流れを制御するように構成されている、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記膨張器構成要素のうちの前記少なくとも１つの前記温度を得るための温度センサをさらに備える、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記作動流体の前記第２の部分が前記膨張器内の少なくとも１つの位置に給送される、請求項２記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの位置が、少なくとも１つの膨張器構成要素の１つの位置に対応する１つの位置を含む、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記膨張器がマルチステージの膨張器を備え、前記少なくとも１つの位置が、前記マルチステージの膨張器の２つのステージの間の１つの位置を含む、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記膨張器がマルチステージの膨張器を含み、前記少なくとも１つの位置が少なくとも２つの位置を含み、前記少なくとも２つの位置が、少なくとも１つの膨張器構成要素の１つの位置に対応する１つの位置を含む第１の位置と、前記マルチステージの膨張器の２つのステージの間に１つの位置を含む第２の位置とを含む、請求項９記載のシステム。
【請求項１３】
前記凝縮作動流体の前記第２の部分が、前記ランキンサイクルシステム内を循環する前記作動流体の質量流量の０．３％から１％を占める、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
熱源からの熱を受け取り、前記熱源からの熱を除去するための作動流体を循環させるように構成された蒸発器と、
前記蒸発器に流動連通され、前記蒸発器から給送される前記加熱された作動流体を膨張させるように構成された第１の膨張器と、
前記第１の膨張器に流動連通され、前記第１の膨張器から給送される前記作動流体を膨張させるように構成された第２の膨張器と、
前記第２の膨張器に流動連通され、前記第２の膨張器から給送される前記作動流体を凝縮させるように構成された復水器と、
前記復水器に流動連通され、前記復水器から給送される前記作動流体を圧送するように構成されたポンプと、
前記ポンプからの前記作動流体の第１の部分を前記膨張器に給送するための第１の導管と、
前記ポンプからの前記作動流体の第２の部分を、前記第１の膨張器、前記第２の膨張器、および、前記第１の膨張器と前記第２の膨張器との間の膨張器導管、のうちの少なくとも１つに給送するための第２の導管と
を備えるランキンサイクルシステム。
【請求項１５】
前記第１の膨張器が第１の膨張器構成要素を備え、前記ポンプから給送される前記作動流体の前記第２の部分が前記第１の膨張器構成要素のうちの少なくとも１つを冷却するのに使用される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の膨張器までの前記作動流体の前記第２の部分の流れを制御するように構成された調節デバイスをさらに備える、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記調節デバイスが、少なくとも１つの第１の膨張器構成要素の温度に基づき、前記第１の膨張器までの前記作動流体の前記第２の部分の流れを制御するように構成された、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記第２の膨張器が第２の膨張器構成要素を備え、前記第２の導管から給送される前記作動流体の前記第２の部分の少なくとも一部が、前記第２の膨張器構成要素のうちの少なくとも１つを冷却するのに使用される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１９】
前記ランキンサイクルシステム内を循環する前記作動流体の質量流量の約１５％を占める前記第２の部分の少なくとも一部が、前記第１の膨張器と前記第２の膨張器との間の膨張器導管に誘導される、請求項１４記載のシステム。
【請求項２０】
作動流体を蒸発させるために、熱源と熱交換関係にある蒸発器内で前記作動流体を循環させるステップと、
前記蒸発作動流体を膨張器内で膨張させるステップと、
前記膨張器から給送される前記膨張した作動流体を復水器を介して凝縮させるステップと、
前記凝縮作動流体を圧送するステップと、
前記圧送された作動流体の第１の部分を前記蒸発器に供給するステップと、
前記凝縮作動流体の第２の部分を前記膨張器に直接に供給するステップと
を含む、ランキンサイクルシステムを動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される実施形態は、一般に、ランキンサイクルシステムの分野に関し、より詳細には、膨張器構成要素を冷却するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルシステムは、熱を電力に変換するのに使用される。伝統的なランキンサイクルシステムは、石炭、天然ガスまたはオイルを燃焼させることにより熱を発生させ、蒸気ベースの作動流体を使用する。有機ランキンサイクルシステムは、より伝統的な蒸気ランキンサイクルシステムで使用される場合と比較してより高い分子質量の有機作動流体を使用する。ＯＲＣシステムは、工業廃熱、エンジン排気、地熱または光電池システムなどの低温熱源から熱を回収するのに使用され得る。回収された低温の熱は、例えば電気を発生させるのに使用され得る。通常、閉ループシステムが使用され、ここでは、作動流体が蒸発器を通るように圧送され、蒸発器内では、作動流体が、蒸発され、エネルギーを抽出するための少なくとも１つの膨張器を通るように圧送され、作動流体を再凝縮させるための復水器を通るように圧送され、蒸発器に戻るように圧送される。
【０００３】
理想的なＯＲＣでは、膨張は等エントロピーであり、それに対して、蒸発および凝縮のプロセスは等圧である。実際には、膨張の際、エンタルピー差から回収可能なエネルギーの一部のみが有用な仕事に変換される。膨張器の入口のところの温度が上がると、ＯＲＣシステムの効率が向上する。しかし、入口の温度が上がると、膨張器構成要素の温度も上がる。膨張器構成要素の一部は、ＯＲＣシステムの効率のための熱力学的に最適な温度に耐えることができない可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＯＲＣシステムの効率およびパワーアウトプット（ｐｏｗｅｒ  ｏｕｔｐｕｔ）を向上させるシステムおよび方法を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示される一実施形態によると、ランキンサイクルシステムは、熱源から熱を受け取り、熱源からの熱を除去するための作動流体を循環させるように構成された蒸発器と、蒸発器に流動連通され、蒸発器から給送される作動流体を膨張させるように構成された膨張器と、膨張器に流動連通され、膨張器から給送される作動流体を凝縮させるように構成された復水器と、復水器に流動連通され、復水器から給送される作動流体を圧送するように構成されたポンプと、ポンプからの作動流体の第１の部分を蒸発器に給送するための第１の導管と、ポンプからの作動流体の第２の部分を膨張器に給送するための第２の導管とを備える。
【０００６】
本明細書で開示される別の一実施形態によると、ランキンサイクルシステムは、熱源から熱を受け取り、熱源からの熱を除去するための作動流体を循環させるように構成された蒸発器と、蒸発器に流動連通され、蒸発器から給送される加熱された作動流体を膨張させるように構成された第１の膨張器と、第１の膨張器に流動連通され、第１の膨張器から給送される作動流体を膨張させるように構成された第２の膨張器と、第２の膨張器に流動連通され、第２の膨張器から給送される作動流体を凝縮させるように構成された復水器と、復水器に流動連通され、復水器から給送される作動流体を圧送するように構成されたポンプと、ポンプからの作動流体の第１の部分を蒸発器に給送するための第１の導管と、ポンプからの作動流体の第２の部分を、第１の膨張器、第２の膨張器、および、第１の膨張器と第２の膨張器との間の膨張器導管、のうちの少なくとも１つに給送するための第２の導管とを備える。
【０００７】
本明細書で開示される例示の一実施形態によると、ランキンサイクルシステムを動作させる方法は、作動流体を蒸発させるために、熱源と熱交換関係にある蒸発器内で作動流体を循環させるステップと、蒸発作動流体を膨張器内で膨張させるステップと、膨張器から給送される膨張した作動流体を復水器を介して凝縮させるステップと、凝縮作動流体を圧送するステップと、圧送された作動流体の第１の部分を蒸発器に供給するステップと、凝縮作動流体の第２の部分を膨張器に直接に供給するステップとを含む。
【０００８】
本発明のこれらならびに別の特徴、態様および利点が、複数の図面を通して同様の参照符号が同様の部品を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書で開示される例示の一実施形態による有機ランキンサイクル（ｏｒｇａｎｉｃ  Ｒａｎｋｉｎｅ  ｃｙｃｌｅ（ＯＲＣ））システムを示す略図である。
【図２】本明細書で開示される例示の一実施形態による膨張器を示す拡大略図である。
【図３】本明細書で開示される別の例示の一実施形態によるＯＲＣシステムを示す略図である。
【図４】本明細書で開示される例示の一実施形態による２つの膨張器を有するＯＲＣシステムを示す略図である。
【図５】本明細書で開示される例示の一実施形態による２つの膨張器を示す拡大略図である。
【図６】本明細書で開示される別の例示の一実施形態による２つの膨張器を有するＯＲＣシステムを示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
後で詳細に考察するように、本発明の実施形態は、作動流体を加熱する熱源からの熱を受け取るための蒸発器を有するランキンサイクルシステムを提供する。一実施形態では、ランキンサイクルは有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を備える。このシステムは、蒸発器に流動連通され、蒸発器から給送される作動流体を膨張させるように構成された膨張器を含む。膨張器は単一ステージの膨張器またはマルチステージの膨張器を備えることができる。このシステムは、膨張器に流動連通され、膨張器から給送される作動流体を凝縮させるように構成された復水器をさらに含む。ポンプが復水器に流動連通され、このポンプは、復水器から給送される作動流体を圧送するように構成されている。少なくとも２つの導管が作動流体を給送するためにポンプに結合される。第１の導管が作動流体の第１の部分を蒸発器に給送するように結合され、第２の導管が作動流体の第２の部分を膨張器に給送するように結合される。ランキンサイクルシステムを動作させる方法も開示される。特に他の意味で定義しない限り、本明細書で使用される「第１」および「第２」などの語は、順番、量または重要性を一切示すものではなく、１つの要素を他の要素から区別するのに使用される。また、「ａ」および「ａｎ」などの語は、量を限定することを示しておらず、参照するアイテムが少なくとも１つは存在することを示す。同様に、「２つ」または「３つ」も、量を限定することを示しておらず、「少なくとも２つ」または「少なくとも３つ」として読まれることを意図される。本明細書で「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、およびそれらの語形変化したものを使用することは、以下に列記されるアイテムおよびその均等物さらには追加のアイテムを包含することを意味する。有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）の例を用いて本発明を説明するが、本発明は別のランキンサイクルシステムにも同様に適用可能である。
【００１１】
図１を参照すると、本発明の例示の一実施形態によるランキンサイクルシステム１０が示されている。示されるランキンサイクルシステム１０はＯＲＣシステムを備え、循環する有機作動流体が通過する蒸発器１２を含む。有機作動流体には、例えば、シクロヘキサン、イソペンタン、シクロペンタン、ブタン、チオフェン、またはそれらの組合せが含まれてもよい。蒸発器１２は、中間ループ１６を介して熱源１４に結合される。熱源１４は、例えば、エンジンに結合される廃熱熱交換器を備えることができる。一例では、エンジンの排気ユニットの温度は摂氏４００度から５００度の温度範囲である可能性がある。蒸発器１２は、熱源１４から生成される排ガスからの熱を中間ループ１６を介して受け取り、蒸発有機作動流体を生成する。蒸発有機作動流体は、ジェネレータユニット２０を駆動させるために膨張器１８（一例では、ラジアルタイプの膨張器（ｒａｄｉａｌ  ｔｙｐｅ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）を備える）を通過する。別の特定の例示の実施形態では、膨張器は、アキシャルタイプの膨張器（ａｘｉａｌ  ｔｙｐｅ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）、インパルスタイプの膨張器（ｉｍｐｕｌｓｅ  ｔｙｐｅ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）、または、高温スクリュタイプの膨張器（ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｃｒｅｗ  ｔｙｐｅ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）を備えることができる。例示の膨張器１８は、単一ステージの膨張器またはマルチステージの膨張器を備えることができる。有機作動流体は、膨張器１８を通過した後、比較的低圧および低温になり、さらに、復水器２２を通過し、復水器２２では、作動流体が再凝縮され、凝縮作動流体が得られる。ポンプ２４が復水器２２に流動連通されて結合され、このポンプ２４は、復水器２２から給送される作動流体を圧送するように構成されている。ポンプ２４は第１の導管２６を介して凝縮作動流体の第１の部分を蒸発器１２に給送し、また、第２の導管２８を介して凝縮作動流体の第２の部分を膨張器１８に給送する。第１の導管２６および第２の導管２８を通る作動流体の流れを制御するために、バルブ３０などの流量制御手段が設けられる。
【００１２】
示される実施形態では、第２の導管２８を通して膨張器に給送される作動流体の第２の部分は膨張器構成要素のうちの少なくとも１つを冷却するのに使用される。ケーシング１０２、軸受１０４、シャフト１０６および羽根車１０８など、種々の膨張器構成要素が図２に示される。これらの構成要素は運転中に加熱されることから、ＯＲＣサイクルの効率および出力を犠牲にすることなく動作するように冷却が行われることを必要とする。復水器を出た後の液体状態の作動流体は、膨張器の入口のところの作動流体の温度と比較して比較的低温であり、膨張器１８内の１つの場所または２つ以上の場所に給送され得る。
【００１３】
図２は詳細図を示しており、ここでは、膨張器１８は、軸受１０４と、シャフト１０６と、羽根車１０８とを収容するケーシング１０２を備える。従来のＯＲＣシステムでは、軸受１０４と、シャフト１０６と、羽根車１０８との温度容量により、作動流体の入口温度での許容される増加量が制限される。本発明の一実施形態による、図２に示される実施形態では、第２の導管２８は枝路１２２、１２４、１２６、１２８および１３０を通るように分岐され、これらの枝路１２２、１２４、１２６、１２８および１３０は複数の位置１１２、１１４、１１６、１１８および１２０のところでケーシング１０２に結合される。この実施形態に示される枝路の数は例示であり、本発明の範囲を限定することを意図されない。別の実施形態では、枝路の数は用途に応じて多様であってよい。ケーシングに結合させることは、例えば、機械的締結具またはフランジを用いることにより、または、溶接またはろう付けを行うことにより達成され得る。第２の導管２８は、１つまたは複数のタップ１３２、１３４、１３６、１３８および１４０などのデバイスを介して枝路１２２、１２４、１２６、１２８および１３０に分割され得る。所望される場合、バルブなどの追加の流量調節デバイス１４２、１４４、１４６、１４８および１５０が枝路１２２、１２４、１２６、１２８および１３０内に含まれてもよい。一実施形態では、調節デバイス１４２、１４４、１４６、１４８および１５０は、膨張器の軸受、羽根車、シャフトおよびケーシングなどの膨張器構成要素の感知された温度に基づき、作動流体の第２の部分の流れを調節する。温度は、ケーシング１０２内、ならびに、軸受１０４、シャフト１０６および羽根車１０８のそれぞれの近くに、例示の目的で配置されるセンサ１０３、１０５、１０７および１０９によって感知され得る。膨張器１８の対応する構成要素を冷却するために提供される作動流体の量は感知される温度に基づいて調節され得る。
【００１４】
調節デバイス１４２、１４４、１４６、１４８および１５０は、一実施形態では、バルブを開くことを制御するための制御機構を備えるバルブを備える。バルブは、対応する膨張器構成要素の温度に応じて、完全に開けられたり、部分的に開けられたり、または、閉じられたりされ得る。例えば、軸受１０４の温度が事前定義された閾値を超え、シャフト１０６の温度が事前定義された臨界温度を超え、羽根車１０８の温度が臨界温度に接近し、ケーシング１０２の温度が許容範囲内にある場合、調節デバイス１５０、１４６は完全に開けられ、調節デバイス１４４は部分的に開けられ、調節デバイス１４２および１４８は閉じられる。別の実施形態では、センサを使用する代わりに、膨張器構成要素の温度は、実証実験（ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）またはモデルベース手法に基づいて計算され得る。一実施形態では、入口の温度、圧力および質量流量に基づいてモデルの構成要素の温度を示すためのモデルは、数式および熱力学的性質に基づく。
【００１５】
再び図１を参照すると、一実施形態では、バルブ３０は、第１の導管２６および第２の導管２８に対応する少なくとも２つの開口部と、導管２６および２８の各々の流れを制御するための制御機構とを有する。一実施形態では、制御機構は、膨張器の軸受１０４、羽根車１０８、ケーシング１０２およびシャフト１０６などの膨張器構成要素の温度に基づいて流れを制御する。例えば、膨張器構成要素の温度が臨界温度未満である場合、バルブ３０は第２の導管２８に対しては閉じられたままであり、少なくとも１つの構成要素の温度が臨界温度を超えた場合、バルブ３０は開けられる。第２の導管２８内を流れる作動流体の量は、一例では、ＯＲＣシステム内を循環する作動流体の質量流量の０．３％から１％の間である。
【００１６】
図３を参照すると、本発明の別の例示の一実施形態によるＯＲＣシステム３２が示されている。示されるＯＲＣシステム３２は、循環する有機作動流体が通過する蒸発器３４を含む。蒸発器３４は、エンジンに結合される例えば廃熱熱交換器などの熱源３６に結合される。蒸発器３４は、熱源３６から生成される排ガスからの熱を中間ループ３８を介して受け取り、蒸発有機作動流体を生成する。蒸発有機作動流体は、ジェネレータユニット４２を駆動させるために膨張器４０を通過する。例示の膨張器４０は、単一ステージの膨張器またはマルチステージの膨張器を備えることができる。有機作動流体は、膨張器４０を通過した後、比較的低圧および低温になり、さらに、復水器４４を通過し、それにより作動流体は凝縮される。ポンプ４６が復水器４４に流動連通され、このポンプ４６は、復水器４４から給送される作動流体を圧送するように構成されている。示される実施形態では、ポンプ４６は、凝縮作動流体を給送するための２つの開口部４８および５０を有する。第１の開口部４８は作動流体の第１の部分を蒸発器３４に給送するのに使用され、第２の開口部５０は作動流体の第２の部分を膨張器４０に給送するのに使用される。図３のＯＲＣシステム３２では、ポンプ４６は、導管４８および５０の各々の中の流れを制御するための制御機構を備える。この制御機構は、図１の実施形態に関連させて上で考察したように、膨張器構成要素の温度に基づいて流れを制御することができる。
【００１７】
図４を参照すると、本発明の別の例示の一実施形態によるＯＲＣシステム２００が示されている。蒸発器２０２が、エンジンに結合される例えば廃熱熱交換器などの熱源２０４に結合される。蒸発器２０２は、熱源２０４から生成される排ガスからの熱を中間ループ２０６を介して受け取り、蒸発有機作動流体を生成する。蒸発有機作動流体は第１の膨張器２０８さらには第２の膨張器２１０を通過する。第２の膨張器２１０は、第１の膨張器２０８に流動連通され、ジェネレータユニット２１２を駆動させるために第１の膨張器２０８からの有機作動流体を膨張させるように構成されている。第１の膨張器２０８および第２の膨張器２１０は、この実施形態では、まとめて、マルチステージの膨張器を形成する。１つの膨張器の複数のステージが１つの膨張器要素内に配置されるような、別のマルチフェーズの膨張器の実施形態も存在し得る。図４の例示の膨張器２０８および２１０は、それら自体で、単一のステージの膨張器またはマルチステージの膨張器を備えることができる。一部の実施形態では、第１の膨張器２０８はさらに追加のジェネレータユニット（図示せず）を駆動させることもできる。有機作動流体は、第２の膨張器２１０を通過した後、膨張器を出るときの流体と比較して比較的低圧および低温になり、さらに、復水器２１４を通過する。ポンプ２１６が復水器２１４に流動連通されて結合され、このポンプ２１６は、復水器２１４から給送される作動流体を圧送するように構成されている。ポンプ２１６は第１の導管２１８を介して凝縮作動流体の第１の部分を蒸発器２０２に給送し、第２の導管２２０を介して、第１の膨張器２０８、第２の膨張器２１０、および、第１の膨張器と第２の膨張器の間にある導管２２４、のうちの少なくとも１つに凝縮作動流体の第２の部分を給送する。第１の導管２１８および第２の導管２２０を通る作動流体の流れを制御するために、例えばバルブ２２２などの調節デバイスが設けられてよい。
【００１８】
図５を参照すると、第１の膨張器２０８および第２の膨張器２１０の拡大図が示される。図５の実施形態では、バルブ３２６は導管２２０に結合され、３つの開口部を備えており、それらのうちの第１の開口部が第１の膨張器２０８のケーシング２２６に結合され、第２の開口部が第２の膨張器２１０のケーシング２２８に結合され、第３の開口部が第１の膨張器２０８と第２の膨張器２１０との間にある導管２２４に結合される。３つの開口部が示されるが、実施形態によっては３つの開口部のすべてが存在するわけではなく、別の実施形態では、作動流体を単一の膨張器の別の位置に供給するために追加の開口部が使用されてもよい。一実施形態では、第２の導管が凝縮作動流体を第１の膨張器２０８および導管２２４に供給し、第２の膨張器２１０には直接には作動流体を供給しない。３つの開口部を備える実施形態を再び参照すると、第１の膨張器２０８がケーシング２２６を含み、このケーシング２２６は、軸受２３０、シャフト２３２および羽根車２３４を収容する。さらに、導管２２０を通して給送される作動流体の第２の部分がケーシング２２６内の少なくとも１つの位置へと進路変更される。導管２２０は、枝路２４８、２５０、２５２、２５４および２５６を介して、ケーシング２２６内の位置２３８、２４０、２４２、２４４および２４６のところに結合され、これらの枝路２４８、２５０、２５２、２５４および２５６は、例えば１つまたは複数のタップ２５８、２６０、２６２、２６４および２６６を介して、第２の導管２２０に結合されてもよい。作動流体の第２の部分の流れは、さらに、枝路２４８、２５０、２５２、２５４および２５６内の結合されたバルブなどの流量調節デバイス２６８、２７０、２７２、２７４および２７６を介して制御され得る。
【００１９】
同様に、第２の膨張器２１０は、軸受２７８と、シャフト２８２と、羽根車２８０とを収容するケーシング２２８を備える。導管２２０を通して給送される作動流体の第２の部分が、さらに、枝路２９６、２９８、３００、３０２および３０４を通して位置２８６、２８８、２９０、２９２および２９４のところでケーシング２２８内の少なくとも１つの位置の方に進路を変更されて繋げられる。これらの枝路は、例えば１つまたは複数のタップ３０６、３０８、３１０、３１２および３１４を介して、第２の導管２２０に結合される。作動流体の第２の部分の流れは、さらに、枝路２９６、２９８、３００、３０２および３０４内の結合されたバルブなどの流量調節デバイス３１６、３１８、３２０、３２２および３２４を介して制御され得る。
【００２０】
第１の膨張器２０８の調節デバイス２６８、２７０、２７２、２７４および２７６、ならびに、第２の膨張器２１０の調節デバイス３１６、３１８、３２０、３２２および３２４は、第１の膨張器構成要素および第２の膨張器構成要素の感知された温度に基づいて作動流体の第２の部分の流れを調節する。温度は、第１の膨張器２０８内のケーシング２２６、軸受２３０、シャフト２３２および羽根車２３４の中またはその付近にそれぞれ配置されるセンサ２２５、２２９、２３１および２３３、ならびに、第２の膨張器２１０内のケーシング２２６、軸受２２８、羽根車２８０およびシャフト２８２の中またはその付近にそれぞれ配置されるセンサ２２７、２７７、２７９および２８１により、感知され得る。図２に関連させて上で考察したように、調節デバイスのバルブは、対応する膨張器構成要素の温度に応じて、完全に開けられるか、部分的に開けられるか、または、閉じられ得る。さらに、図２に関連させて考察したように、センサを使用することの代替案として、膨張器構成要素の温度は、実証実験またはモデルベース手法に基づいて計算され得る。
【００２１】
バルブ２２２のための制御機構が、第１および第２の膨張器の軸受、羽根車、ケーシングおよびシャフトなどの膨張器構成要素の温度、ならびに、第１の膨張器と第２の膨張器との間の位置２２４のところの温度に基づいて流れを制御する。バルブ３２６を開くことは、必要とされる作動流体の量に依存する。一例では、導管２２内を流れる作動流体の一部の量または全体の量が第１の膨張器と第２の膨張器の間の位置２２４の方に進路変更される。したがって、この実施形態では、膨張器２０８から出る流れは低温の作動流体に混合される。低温の作動流体が加えられることで、膨張器２１０の入口温度が低下し、膨張器２１０内に流れ込む作動流体の体積流量が増加することから、膨張器２１０内の膨張ステージのパワーアウトプットが増大する。一実施形態では、導管２２０内を流れる作動流体の量は、ＯＲＣシステム２００内を循環する作動流体の質量流量の約１５％である。
【００２２】
図６を参照すると、本発明の別の例示の一実施形態によるＯＲＣシステム５００が示されている。示されるＯＲＣシステム５００は、循環する有機作動流体が通過する蒸発器５０２を含む。蒸発器５０２は、エンジンに結合される例えば廃熱熱交換器などの熱源５０４に結合される。蒸発器５０２は、熱源５０４から生成される排ガスからの熱を中間ループ５０６を介して受け取り、蒸発有機作動流体を生成する。蒸発有機作動流体は第１の膨張器５０８を通過する。第２の膨張器５１０が第１の膨張器５０８に流動連通され、この第２の膨張器５１０は、第１のジェネレータ５１２を駆動させるために第１の膨張器５０８から給送される有機作動流体を膨張させるように構成されている。有機作動流体蒸気は、第２の膨張器５１０を通過した後、復水器５１４を通過する。ポンプ５１６が復水器５１４に流動連通されて結合され、このポンプ５１６は、復水器５１４から給送される作動流体を圧送するように構成されている。示される実施形態では、ポンプ５１６は、凝縮作動流体を給送するための２つの開口部５１８および５２０を有する。ポンプ５１６は、作動流体の第１の部分を蒸発器５０２に給送するための第１の開口部５１８と、作動流体の第２の部分を、第１の膨張器５０８、第２の膨張器５１０、および、第１の膨張器と第２の膨張器との間にある導管５２４、のうちの少なくとも１つに、第２の導管２２０を介して作動流体の第２の部分を給送するための第２の開口部５２０とを有する。
【００２３】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを示して説明してきたが、当業者には多くの修正形態および変更形態が思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲内にあるそのような修正形態および変更形態のすべてを包含することを意図されることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ランキンサイクルシステム
１２、３４、２０２、５０２  蒸発器
１４、３６、２０４、５０４  熱源
１６、３８、２０６、５０６  中間ループ
１８、４０、２１０  膨張器
２０、４２  ジェネレータユニット
２２、４４、２１４、５１４  復水器
２４、４６、２１６、５１６  ポンプ
２６、２１８  第１の導管
２８、２２０  第２の導管
３０、２２２、３２６  バルブ
３２、２００、５００  ＯＲＣシステム
４８、５０、５１８、５２０  開口部
１０２、２２６、２２８  ケーシング
１０３、１０５、１０７、１０９、２２５、２２９、２３１、２３３、２２７、２７７、２７９、２８１  センサ
１０４、２３０、２７８  軸受
１０６、２３２、２８２  シャフト
１０８、２３４、２８０  羽根車
１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２８６、２８８、２９０、２９２、２９４  位置
１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、２４８、２５０、２５２、２５４、２５６、２９６、２９８、３００、３０２、３０４  枝路
１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４  タップ
１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、２６８、２７０、２７２、２７４、２７６、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４  流量調節デバイス
２０８、５０８  第１の膨張器
２１０、５１０  第２の膨張器
２２４、５２４  導管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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