(57)【要約】  本発明は、動力源システムとと共に使用される廃熱回収システムに関する。ポンプは、作動流体を設定圧力閾値で加圧し、作動流体を流体流路を通じて供給することができる。蒸発器及び凝縮器は、それぞれ流体流路に連結され得る。蒸発器及び凝縮器それぞれに連結され、作動流体が設定圧力閾値及びあらかじめ決定された熱閾値以上のときに、作動流体を収容できるタービンであり得る。次いで、モーターモード又は発電機モードを有する電気機械がタービンに取り付けられ得る。タービンの他の端部に取り付けられることはまた、ポンプに取り付けられるシャフトカップリングであり得る。ポンプは、廃熱回収システムに圧力を提供するため、シャフトカップリングを通じてモーターモードで動作する電気機械によって動力が供給されることができる。【選択図】図１
2018538474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源システム用の廃熱回収システムであって、
流体流路内に含有される作動流体；
前記流体流路に連結され、前記作動流体を設定圧力閾値まで加圧し、前記作動流体を前記流体流路に供給するように適応されるポンプ；
前記流体流路を通じて前記ポンプに連結され、前記作動流体を加熱し、前記作動流体の物質状態を変化させるように適応される蒸発器；
前記流体流路を通じて前記蒸発器に連結され、前記作動流体を冷却し、前記作動流体の物質状態を変化させるように適応される凝縮器；
蒸発器及び凝縮器それぞれに第２流体流路を通じて連結され、作動流体が設定圧力閾値及びあらかじめ決定された熱閾値で、又はそれ以上のときに、作動流体を収容できるタービン；
前記ポンプ、蒸発器、凝縮器、及びタービンと動作可能に関連される制御器；
前記タービンに連結され、モーターモード及び発電機モードを有する電気機械であって、前記モーターモード及び発電機モードが、前記制御器から伝送された動作信号によって決定されるものである電気機械；及び
前記タービンを、前記ポンプに連結するシャフトカップリングであって、前記タービンを通じて次いで前記電気機械に連結され、前記電気機械が、前記モーターモードで動作するときに、前記電気機械を通じて前記ポンプに動力を供給するように適応されるシャフトリング；を含む、動力源システム用の廃熱回収システム。
【請求項２】
前記ポンプは、複数のポンプを含み、前記複数のポンプ中、第１ポンプは低圧ブーストポンプであり、前記複数のポンプ中、第２ポンプは、前記シャフトカップリングに連結される高圧供給ポンプである、請求項１に記載の廃熱回収システム。
【請求項３】
前記第１制御バルブは、前記作動流体が前記蒸発器から前記凝縮器へ直接流れることを可能とし、第２制御バルブは、前記廃熱回収システム内の前記作動流体の熱的状態がタービンに動力を供給するのに十分であるときに、前記作動流体を前記タービンに許容する、請求項１に記載の廃熱回収システム。
【請求項４】
前記制御器が、前記動力源システムに連結されている制御器内に含まれる双方向電力制御器を含む、請求項１に記載の廃熱回収システム。
【請求項５】
前記動作信号は、前記双方向電力制御器から伝送されるモーターモード信号であり、前記モーターモード信号は、前記電気機械が前記モーターモードで動作するように通知し、前記作動流体の熱的状態がタービンに動力を供給するのに不十分であるときに、ポンプに動力を供給するようにシャフトカップリングを回転させる、請求項４に記載の廃熱回収システム。
【請求項６】
前記動作信号は、前記双方向電力制御器から伝送される発生モード信号であり、前記発生モードの信号は、前記発電機モードで動作するように前記電気機械に通知し、電力を生成するように前記タービンを有する前記電気機械連結部に応答して回転する、請求項４に記載の廃熱回収システム。
【請求項７】
フレーム；
前記フレームによって支持されるオペレーターステーション；及び
前記フレームによって支持され、車両に動力を供給するように適応される動力源システムを含む車両であって、
前記動力源システムは、ターボ発電機を含む廃熱回収システムに連結されるエンジンであって、前記廃熱回収システムが流体流路内に含まれる作動流体を含有されるエンジン、前記流体流路に連結されるポンプであって、前記作動流体を設定圧力閾値で加圧し、前記作動流体を前記流体流路内に供給するように適応されるポンプ、前記流体流路を通じて前記ポンプに連結される蒸発器であって、前記作動流体を加熱し、前記作動流体の物質状態を変化させるように適応される蒸発器；前記流体流路を通じて前記蒸発器に連結される凝縮器であって、前記作動流体を冷却し、前記作動流体の物質状態を変化させるように適応される凝縮器、第２流体流路を通じて前記蒸発器及び凝縮器それぞれに連結されるタービンであって、前記作動流体が設定圧力閾値及びあらかじめ決定された熱的閾値に、又はそれ以上のときに、作動流体を収容することができるタービン、前記タービンに連結される電気機械であって、モーターモード及び発電機モードを有し、前記モーターモード又は前記発電機モードが制御器から伝送された動作信号によって決定される電気機械、及び前記タービンを前記ポンプに連結するシャフトカップリングであって、次いで前記タービンを通じて前記電気機械に連結され、電気機械がモーターモードで動作するときに、電気機械を通じてポンプに動力を供給し得るシャフトカップリングを有するものである、車両。
【請求項８】
前記ポンプは、複数のポンプを含み、前記複数のポンプ中、第１ポンプは低圧ブーストポンプであり、前記複数のポンプ中、第２ポンプは前記シャフトカップリングに連結される高圧供給ポンプである、請求項７に記載の車両。
【請求項９】
前記第１制御バルブは、廃熱回収システム内で作動流体の熱的状態が到達されないとき、蒸発器から凝縮器に作動流体を直接流れるようにし、第２制御バルブは、廃熱回収システムの作動流体の熱的状態がタービンに動力を供給するのに十分であるときに、作動流体をタービンに流れるようにする、請求項７に記載の車両。
【請求項１０】
前記制御器は、前記動力源システムに連結される制御器内に含まれる双方向電力制御器を含む、請求項７に記載の車両。
【請求項１１】
前記動作信号は、前記双方向電力制御器から送信されるモーターモード信号であり、前記モーターモード信号は、前記電気機械が前記モーターモードで動作するよう通知し、作動流体の熱的状態がタービンに動力を供給するのに不十分であるときに、前記シャフトカップリングを回転させて前記ポンプに動力を供給する、請求項１０に記載の車両。
【請求項１２】
前記作動信号は、前記双方向電力制御器から伝送される発生モード信号であり、前記発生モードの信号は、前記発電機モードで動作するように前記電気機械に通知し、電力を生成するようにタービンを有する前記電気機械連結部に応答して回転する、請求項１０に記載の車両。
【請求項１３】
動力源システム用の廃熱回収システムを動作する方法であって：
前記動力源システムのオペレーターから前記動力源システムに連結された制御器で始動入力を受信する段階；
始動信号を前記制御器からエンジン、ターボ発電機及び前記動力源システム用の廃熱回収システムに伝達する段階；
前記廃熱回収システムに連結された圧力センサーから前記制御器に第１圧力信号を報告する段階；
前記制御器内で前記第１圧力信号が、前記廃熱回収システム内の圧力が設定圧力閾値未満であることを示すか否かを決定し、事実である場合は、前記制御器はモーターモード信号を送信して電気機械がモーターモードで動作するように通知する段階；
前記モーターモードで前記電気機械を動作させ、前記ポンプをタービンに取り付けるシャフトカップリングを回転させることによって、前記廃熱回収システムのポンプに動力を供給する段階；
前記廃熱回収システムに連結される前記圧力センサーから前記制御器に第２圧力信号を報告する段階；
前記第２圧力信号が、前記廃熱回収システム内の圧力が前記設定圧力閾値より大きいことを示すか否かを前記制御器内で決定し、事実である場合は、前記制御器は発生モード信号を送信して前記電気機械に発生モードで動作するように通知する段階；及び
電気機械とタービンの間の連結部を通じて電力を生成する発生モードで電気機械を動作する段階を含む、方法。
【請求項１４】
前記制御器は、前記モーターモード信号及び前記発生モード信号を前記電気機械に伝送する双方向電力制御器を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記廃熱回収システムは、第１流体流路及び第２流体流路を有し、前記第１流体流路は、前記電気機械が前記モーターモードで機能するとき動作し、前記第２流体流路は電気機械が発生モードで機能するときに動作する、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に動力源システムに関し、より詳細には動力源システムに連結される廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンを動作させ、推力又は動力を生成することによって、熱はその生成の副産物として放出される。発電及び輸送分野の進歩は、このような廃棄熱を追加的な目的に使用する多数の方法で発見されている。このような一つの用途で、エンジンによって生成される熱は回収システムに供給されることができる。
【０００３】
これらの回収システム中の一部は ターボ発電機ターボ発電機を含むことができる。ターボ発電機は、電力発生のために使用されるタービンと電気発電機の組み合わせである。次いでエンジン内で生成された過熱は、ターボ発電機に動力が流れることができる媒体を加熱するのに使用されることができる。ターボ発電機は、一般的に発電産業で使用され、航空機、輸送トラック及びその他の類型のエンジン動作車両のような車両の補助動力装置としてより一般的に使用される。
【０００４】
電気発電用ターボ発電機を使用する回収システムは、熱サイクルの原理下で動作する。このような熱サイクルは、ランキンサイクル（Ｒａｎｋｉｎｅ  ｃｙｃｌｅ）であり得る。ランキンサイクルでは、エンジンからの熱が通常に作動流体を使用する閉鎖ループに外部から供給される。作動流体が閉鎖ループを通じて移動することによって、作動流体は、閉鎖ループに連結される回収システムの全ての構成要素を通過する。これらの回収システムの大部分は、タンク、ポンプ、蒸発器、タービン及び作動流体が流れる凝縮器を含む。
【０００５】
理想的な回収システムにおいて、ポンプは、発電のために作動流体をタービン内に連続的に供給することになる。しかしながら、必ずしもそうであるとは限らない。上に羅列された構成要素を含む回収システムが正しく動作するためには、作動流体がターボ発電機のタービンを回転させるために相当な圧力で流れなければならない。回収システムが連続的に動作するときに、このような圧力を得ることは容易に達成できる。しかし、このような回収システムの始動中に、回収システム内の初期圧力は低くこの圧力値は満たされない。従って、ポンプに動力を供給して回収システム内で作動流体圧力を形成するために、外部又は追加動力源が必要になることがある。
【０００６】
このような回収システムのオペレーターには、回収システムを連続動作状態に加圧するために、外部又は追加動力源が必要ないターボ発電機に連結される回収システムを開発することが有利であろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の一態様においては、動力源システム用廃熱回収スシステムが開示される。廃熱回収システムは、流体流路内に含有される作動流体を有し得る。ポンプは、流体流れプラントに連結され、作動流体を流体流路に供給しながら、設定圧力閾値まで作動流体を加圧することができる。ポンプは、作動流体を加熱できる蒸発器に連結させ、作動流体の物質状態（ｍａｔｔｅｒ  ｓｔａｔｅ）を変化させることができる。凝縮器は、蒸発器に連結され、作動流体を冷却して作動流体のマットな状態を変化させることができる。蒸発器と凝縮器それぞれに連結され、タービンが存在し得る。タービンは、作動流体があらかじめ決定された熱閾値及び設定圧力閾値、或いはそれ以上のときに、作動流体を収容できる第２流体流路を通じてそれぞれの蒸発器及び凝縮器に連結される。さらに、電気機械は、タービンに連結される。電気機械は、制御器から伝送された動作信号によって決定されるモーターモード及び発電機モードを有し得る。最後に、シャフトカップリングがタービンをポンプに連結され、順にタービンによって通じて電気機械に連結され得る。シャフトカップリングは、電気機械がモーターモードで動作するとき、電気機械を通じてポンプに動力を供給することができる。
【０００８】
本発明の他の態様においては、車両が開示される。車両はフレーム、及びフレームによって支持されるオペレーターステーション（ｏｐｅｒａｔｏｒ  ｓｔａｔｉｏｎ）を有することができる。さらに、作業機械はブレークシステム及び動力源システムに動作可能に連結される駆動システムを有し得る。動力源システムは、廃熱回収システム、エンジン及びターボ発電機を有することができる。廃熱回収システムは、流体流路内に含有される作動流体を有し得る。ポンプは、流体流路に連結され、作動流体を流体流路に供給して作動流体を設定圧力閾値まで加圧することができる。ポンプは、作動流体を加熱できる蒸発器に連結され、作動流体の物質状態を変化させることができる。凝縮器は蒸発器に連結され、作動流体を冷却して作動流体の物質状態を変化させることができる。蒸発器と凝縮器それぞれに連結されてタービンが存在し得る。タービンは、作動流体があらかじめ決定された熱閾値及び設定圧力閾値に、或いはそれ以上であるときに、作動流体を収容できる第２流体流路を通じてそれぞれの蒸発器及び凝縮器に連結される。さらに、電気機械がタービンに連結される。電気機械は、制御器から伝送された動作信号によって決定されるモーターモード及び発電機モードを有し得る。最後に、シャフトカップリングは、ポンプにタービンに連結され、順にタービンによって電気機械に連結され得る。シャフトカップリングは、電気機械がモーターモードで作動するとき、電気機械によってポンプに動力を供給することができる。
【０００９】
本開示の更なる態様において、動力源システム用の廃熱回収システムを動作させる方法が開示される。まず、動力源システムのオペレーターから動力源システムに連結される制御器に始動入力が受信される。その後、始動信号が制御器からエンジン、ターボ発電機及び動力源システムの廃熱回収システムに伝達される。次いで、第１圧力信号が廃熱回収システムに連結される圧力センサーから制御器に報告される。制御器はその後、第１圧力信号が、廃熱回収システムを有する圧力が設定圧力閾値未満であることを示すか否かを決定し、万一事実であれば、電気機械がモーターモードで動作するように通知するモーターモード信号を送信する。次いで電気機械は、モーターモードで動作してポンプをタービンに取り付けるシャフトカップリングを回転させることによって廃熱回収システムのポンプに動力を供給する。次いで、廃熱回収システムに連結される圧力センサーから制御器に第２圧力信号が報告される。制御器は、第２圧力信号が、廃熱回収システム内の圧力が設定圧力閾値より大きいことを示すか否かを決定し、万一事実であれば、発生モードで動作するように電気機械に通知する発生モード信号を送信する。最後に、発生モードで動作する電気機械は、電気機械とタービンの間の連結を通じて動力を生成する。
【００１０】
本開示のこれら及び他の態様、並びに特徴は、添付される図面と共に、以下の詳細な説明を読むことによって、さらに容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は本開示の一実施形態による動力源及び廃熱回収システムを有する車両の側面図である。
【図２】図２は本開示の一実施形態による例示的な動力源システムの概略図である。
【図３】図３は本開示の一実施形態による廃熱回収システムの概略図である。
【図４】図４は本開示の一実施形態によるターボ発電機の一部切断横断面図である。
【図５】図５は本開示の一実施形態による廃熱回収システムを動作させる方法を図示する流れ図である。
【００１２】
図面は、必ずしも一定の比率ではなく、開示された実施形態は、概略図及び部分図で例示することを理解すべきである。さらに、本開示は、本願に例示された特定の実施形態に限定されないことを理解すべきである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示は、動力源システム１１０と共に使用される廃熱回収システム１００を提供する。廃熱回収システム１００及び動力源システム１１０は、車両１２０の一部であるか、或いは非輸送基盤のエンジンに連結される独立型システムであり得る。廃熱回収システム１００及び動力源システム１１０を用いられる車両１２０の例は：トラック及び自動車のような輸送に使用される車両；建設機械のような作業機械；海洋船舶；レジャー用車両；又は軍事、或いは警察輸送車両を含むが、これに限定されない。当業者は、本開示による戦略が他の類型の有用なシナリオにおいても具現できることを理解するであろう。さらに、本願に記載されている様々な要素に対する参照は、同一の類型の要素が1つ以上存在する場合に、集合的に又は個別的に行われる。このような参照は、単に本開示に対する読者の理解を助けるだけであって、例示的なものと見なされるべきであろう。従って、単数形で要素に対する、任意のこのような参照は、また提示される請求項に明示的に記述されない限り、このような要素の正確な数、又は類型に本開示の範囲を限定することなく、複数に関連されるか、或いは、その反対である場合に関連するものと注目されるべきである。
【００１４】
ここで、図面を参照し、具体的に図１を参照すると、車両１２０が提示される。車両１２０は、鉱業、建設、農事、輸送又は車両１２０を使用することで知られている任意の他の産業のような、産業と関連されるいくつかの類型の動作を遂行する移動機械であり得る。他の実施形態において、車両１２０は(図１に図示された)トラックのような高速道路車両、自動車、建設車両、或いは当業界に知られている任意の他の車両１２０を含むことができる。図１に示すように、車両１２０はフレーム１３０、オペレーターステーション１４０、動力源システム１１０、駆動システム１５０、ブレーキシステム１６０、制御器１７０及び廃熱回収システム１００を含む。
【００１５】
フレーム１３０は、車両１２０の移動を支持できる任意の構造的部材又は部材の組立体を含むことができる。さらに、フレーム１３０は、オペレーターステーション１４０を支持するように配置され得る。オペレーターステーション１４０は、車両１２０を作動させるのに必要な制御部を含むことができる。入力装置は、ユーザオペレーターから入力を受信して所望する機械移動を示すように適応される。これらの入力装置は、オペレーターステーション１４０内のオペレーター用シートに近接して位置されるステアリングホイール、スイッチ、ノブ、又は他の知られている装置を含むことができる。さらに、これらの入力装置は、車両１２０の制御器１７０に制御信号を発生させて送信するように構成され得る。これらの制御信号は、制御器１７０に連結される他の車両システムの作動を示す信号のみならず、加速及び減速のような車両１２０の性能を示すことができる。
【００１６】
動力源システム１１０は、また、車両１２０のフレーム１３０によって支持され得る。動力源システム１１０は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガス燃料動力エンジン、天然ガスエンジン、或いは車両１２０で使用するための任意の他のエンジンのようなエンジンであり得る。代替的に、動力源システム１１０は、燃料電池、電力貯蔵装置、或いは、他の適切な動力源のような非燃焼動力源から構成され得る。動力源システム１１０は、車両１２０の他のシステムに動力を供給するように変換され得る機械的、又は電気的電力出力を生成することができる。例えば、動力源システム１１０は、車両１２０を支持するように配置される１対の前輪１８０及び複数の後輪１９０を含むことができる駆動システム１５０に動力を供給することができる。前輪１８０と複数の後輪１９０は、車両１２０を順方向及び逆方向の両方に操縦し、操作するために回転させることができる。動力源システム１１０は、車両１２０或いは動力源システム１１０に追加的な動力が提供できるターボ発電機２００に連結され得る。
【００１７】
さらに、廃熱回収システム１００は、動力源システム１１０に連結されるか、又は連通されることができる。本開示の一実施形態において、廃熱回収システム１００は、動力源システム１１０に非常に近接して車両１２０のフレーム１３０内に位置される。しかしながら、他の更なる実施形態においては、廃熱回収システム１００は、フレーム１３０の後方部分２１０上の他の位置に位置され得るか、或いはフレーム１３０の下側部２２０に取り付けられ得るが、これに限定されない。廃熱回収システム１００は以下の段落でより詳細に説明される。
【００１８】
車両１２０は、制御器１７０に動作可能に連結され得るブレーキシステム１６０をさらに含む。ブレーキシステム１６０は、車両１２０が動くときに車両１２０の移動を減速するように構成され得る。また、制御器１７０は、動力源システム１１０、駆動システム１５０、ブレーキシステム１６０及びオペレーターステーション１４０に動作可能に連結され得る。制御器１７０は、また、オペレーターステーション１４０に関連される入力装置（図示せず）から信号を受信するように適応される。制御器１７０は、車両１２０の移動を制御し、動作中に様々な他の機能及び作業をあらかじめ形成するために、モニタリングして様々なシステムに適切な出力信号を提供することができる。
【００１９】
さらに、駆動システム１５０と同様に、ブレーキシステム１６０は、前輪１８０及び複数の後輪１９０と関連され得る。ブレーキシステム１６０はまた、オペレーターステーション１４０内のブレーキペダル２３０のような他の入力装置で作動することができる。本開示の一実施形態において、ブレーキシステム１６０は、油圧式で駆動されるか、或いは加圧空気によって駆動され得し、フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０を含む。フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０は、車両１２０のそれぞれの前輪１８０及び複数の後輪１８０と動作可能に関連され得る。本開示の一実施形態において、フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０のそれぞれは、ディスクブレーキ又はドラムブレーキのような作動ホイールブレーキを含むことができる。フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０は、前輪１８０及び複数の後輪１９０の中間に配置され得る。作動のときにフロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０は、車両１２０のローリング摩擦を増加させることができ、これは車両１２０の移動を遅くする。フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０は、入力装置、例えば、オペレーターステーション１４０内に配置されるブレーキペダル２３０によって動作することができるが、これに限定されない。オペレーターが制動範囲に沿ってブレーキペダル２３０を踏み込むとき、圧力は、フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０を制御するアクチュエータに向けることができる。ブレーキペダル２３０による低減の程度は、フロントブレーキ２４０及びリアブレーキ２５０の各アクチュエータに供給される圧力に比例して制御する。
【００２０】
図２を参照すると、動力源システム１１０は車両１２０の他のシステムとの相互連結を示し、より詳細に図示する。動力源システム１１０は、往復ピストンエンジン、ガスタービンエンジン、スパーク点火エンジン、或いは当業界に知らされている任意の他の圧縮点火エンジンのような内燃機関エンジンであり得る、エンジン２６０を含むことができる。本開示の実施形態において、エンジン２６０は、図１に図示される車両１２０に動力を供給するために一般的に使用されるディーゼルエンジンのような圧縮点火エンジンであり得る。
【００２１】
動力源システム１１０は、また下流でエンジン２６０と流体連通する排気導管２７０を含むことができる。排気導管２７０は、エンジン２６０が動作しているときに、排気ストリーム２８０をエンジン２６０から遠くに輸送するように構成され得る。さらに、図２に図示されるように、動力源システム１１０は、廃熱回収システム１００の一部としてターボ発電機２００を含むことができる。ターボ発電機２００は、互いに連通するタービン２９０及び電気機械３００有するように構成され得る。タービン２９０が膨張装置として本開示の実施形態で使用されるが、他の膨張装置、例えば、スクロール、ギア又はピストン膨張機が電気機械３００及びポンプに連結カップリングされ得るが、これに限定されないことを当業者は理解すべきであろう。用語“ターボ発電機”は、電気機械に連結される、このような膨張装置の例示的な実施形態として使用され、他のエキスパンダ装置アーキテクチャは、また、含むことができる。
【００２２】
動力源システム１１０はまた、廃熱回収システム１００を含むことができる。廃熱回収システム１００は、排気導管２７０に沿って排気ストリーム２８０と熱的に連通することができる。車両１２０又は機械の制御器１７０は、今後、動力源システム１１０の個々の構成要素に連結できる動力源システム１１０の外部に位置され得る。制御器１７０は、それぞれのエンジン２６０、ターボ発電機２００及び廃熱回収システム１００と動作可能に連通することができる。制御器１７０は、任意の類型の電子プロセッサー、例えば、電子情報、命令及び信号を送信、並びに受信するように作動可能な専用プロセッサーであり得るが、これに限定されない。エンジン２６０に連結されると、制御器１７０は、エンジン２６０の動作状態及び効率に関する電子情報を伝送し、受信することができる。同様に、制御器１７０は、ターボ発電機２００に連結され、ターボ発電機２００の動作性能及び状態に関する電子情報を伝送し、送受信することができる。さらに、制御器１７０は、廃熱回収システム１００に連結され得る。廃熱回収システム１００に連結される場合、制御器１７０は、廃熱回収システム１００に連結される作動流体センサー３３０から作動流体圧力信号３２０を受信することができる。同様に、制御器１７０は、作動流体流量調整信号３４０の形態で動作情報を廃熱回収システム１００に伝送して制御器１７０によって受信される情報に基づき、廃熱回収システム１００の動作を変更及び修正することができる。本開示の図示される実施形態において、制御器１７０は、車両１２０の多数のシステムに連結される共通制御器であり得る。しかしながら、他の追加の実施形態において、制御器１７０は、廃熱回収システム１００と特に関連される独立型装置であり得る。
【００２３】
ここで、図３を参照すると、例示的な廃熱回収システム１００は、ターボ発電機２００に連結され、概略的な形態で図示される。概略図の左側には、廃熱回収システム１００がより詳細に図示されている。注目されるように、廃熱回収システム１００は、作動流体を含有するためのタンク３５０を含むことができる。タンク３５０は、廃熱回収システム１００に提供される動作条件及び空間によって選択的であり得る。作動流体は、液体状態からガス状態に変形させることができ、廃熱回収システム１００の流体流路３６０を通じて流れ得る任意の類型の流体であり得る。例えば、作動流体は、水であり得る。さらに、作動流体は、ｎ−ペンタン、エタノール又はトルエンなどのような有機流体であり得る。作動流体は、廃熱回収システム１００内で使用するためにタンク３５０内に貯蔵されることができる。廃熱回収システム１００が動作しているとき、作動流体は、タンク３５０外に移動して廃熱回収システム１００を通じて流体流路３６０に沿って行くことができる。作動流体が流体流路３６０の周囲にそのサイクルを完了すると、作動流体は、再び必要とするときまで貯蔵されるタンク３５０に復帰することができる。廃熱回収システム１００の動作中に、作動流体は、流体流路３６０を通じて一定に移動する。流体流路３６０が閉鎖ループのとき、作動流体は、廃熱回収システム１００の動作中に廃熱回収システム１００が動作を終了するまで連続的に移動する。
【００２４】
図３を再び参照すると、タンク３５０の下流に第１ポンプ３７０を提供されることができる。このような第１ポンプ３７０は低圧ブーストポンプであり得る。作動流体は、流体流路３６０に沿って行き、第１ポンプ３７０に進入することができる。第１ポンプ３７０内で、作動流体は、作動流体の圧力が第１圧力ステージまで増加される加圧の第１ステージに進入する。第１ポンプ３７０内の作動流体が第１圧力ステージに到達すると、作動流体は、流体流路３６０を通じて第１ポンプ３７０を出て行き第２ポンプ３８０に進入する。
【００２５】
第２ポンプ３８０は、高圧供給ポンプであり得る。作動流体は、第１圧力ステージで第１ポンプ３７０を出た後に、作動流体の圧力が廃熱回収システム１００によって再び増加される第２ポンプ３８０に進入することになる。第２ポンプ３８０内で、作動流体は、加圧の第２ステージ中に第２圧力ステージまで加圧される。作動流体が加圧の第２ステージに到達すると、作動流体は、第２ポンプ３８０を出て流体流路３６０に沿って継続される。
【００２６】
次いで第２ポンプ３８０は、加圧される作動流体を蒸発器３９０に供給する。蒸発器３９０は、エンジン２６０から流れる排気ストリーム２８０と熱的に接触する。蒸発器３９０は、排気ストリーム２８０からの熱を利用して蒸発器３９０内の加圧作動流体を加熱する。蒸発器３９０内で、熱は作動流体が蒸発するように引き超すために、作動流体は、液体状態からガス状態に変化することができる。作動流体が物質状態を変更することによって、作動流体は、あらかじめ決定された熱閾値まで上昇する。作動流体が加熱された後、作動流体は蒸発器３９０を出る。
【００２７】
作動流体の物質状態によって、作動流体は、廃熱回収システム１００の流体流路３６０に沿って継続されるか、又は蒸発される流体流路４００に沿って下降してターボ発電機２００に進入することができる。蒸発器３９０を出る作動流体が依然として液体状態にある場合、作動流体は、流体流路３６０に沿って、及び第１制御バルブ４１０を通じて継続することができる。第１制御バルブ４１０は、特定の作動流体の熱状態でのみ動作可能である。例えば、第１制御バルブ４１０は、作動流体が設定圧力及び温度閾値、又はそれ未満の場合にのみ作動流体の流れを通過するように設定圧力及び温度閾値を有することができる。第１制御バルブ４１０は、制御器１７０との連結部を通じて受信された通信信号を介し、制御器１７０によって動作されることができる。
【００２８】
廃熱回収システム１００の始動及び停止動作中に、第２ポンプ３８０は、蒸発器３９０が作動流体の物質状態を変化させ得る圧力水準まで作動流体を上昇させることができない。さらに、排気ストリーム２８０は、蒸発器３９０を通じて流れる作動流体を蒸発させ、作動流体をこれらの始動及び停止時間中にあらかじめ決定された熱閾値まで上昇させるのに十分な程度の高温でないことがある。このため、設定圧力閾値は、第２ポンプ３８０の第２圧力ステージで設定され得る。言い換えると、蒸発器３９０を出る作動流体が、特定の閾値と比較して不十分な熱状態にある場合、流体は制御バルブ４１０を通じて移動して流体流路３６０に沿って継続され得る。しかし、あらかじめ決定された熱閾値で蒸発器３９０を出る作動流体が十分な熱の状態にある場合、作動流体は、第１制御バルブ４１０を通じて移動できない、次いて蒸発流体流路４００を通じて移動してターボ発電機２００に進入され得る。
【００２９】
作動流体が蒸発流体流路４００に沿って移動することにより、作動流体の大部分は蒸発器３９０内で液体状態から気体状態に変換されるであろう。蒸発流体流路４００に沿って、作動流体は、第２制御バルブ４２０に進入することができる。第２制御バルブ４２０は、第１制御バルブ４１０と同様に動作するが、反対の結果を生成することがあり得る。蒸発器３９０を出る作動流体が第２の圧力ステージの熱状態閾値より大きな圧力値にある場合、作動流体は、第２制御バルブ４２０を通じて移動し、ターボ発電機２００のタービン２９０内に蒸発器流体流路４００に沿って継続されることができる。第２制御バルブ４２０は、制御器１７０との連結部連結を通じて受信された通信信号を介し、制御器１７０によって動作されることがあり得る。しかしながら、蒸発器３９０を出る作動流体が第２の圧力ステージの設定閾値未満の熱的状態にある場合、作動流体は、第２制御バルブ４２０を通じて移動できない、次いて廃熱回収システム１００内の第１制御バルブ４１０を通じて移動することができる。
【００３０】
第１制御バルブ４１０を通じて移動する作動流体は、流体流路３６０に沿って継続され、凝縮器４３０に進入されることができる。凝縮器４３０内において、蒸発器３９０、及び変化された物質状態内で加熱される作動流体は、凝縮器４３０内で発生する冷却によって本来の液体状態に復帰することができる。蒸発器３９０が熱源と熱的に接触するのと同様に、凝縮器４３０は、冷却源４４０と熱的に接触する。このような冷却源４４０は、冷却導管、周辺空気又は機械的に冷却された空気を通じて流れる冷却媒体を含むが、これに限定されない任意の類型の熱冷却源であり得る。作動流体が冷却されて液体状態に復帰された後に、作動流体は、凝縮器４３０から流れて作動流体が生じるタンク３５０内に再び流れる。
【００３１】
さらに図３を参照すると、作動流体が蒸発される流体流路４００に沿ってあらかじめ決定された熱閾値に到達すると、作動流体は第２制御バルブ４２０を通過してターボ発電機２００に進入する。より具体的には、加熱された作動流体（ガス状態であり得る）は、ターボ発電機２００のタービン２９０に進入することができる。タービン２９０は中心軸４５０の周囲に、同様に変位された複数のタービンブレード４４０を有することができる。作動流体がタービン２９０に進入することによって、ガスであり得て高度に加圧され得る作動流体は、複数のタービンブレード４４０と接触して複数のタービンブレード４４０が中心軸４５０の周りで回転させる。複数のタービンブレード４４０を回転させた後に、作動流体はタービン２９０を出て行って廃熱回収システム１００の凝縮器４３０内に再び流れることができる。
【００３２】
ターボ発電機２００のタービン２９０は、一端部４５２でシャフトカップリング４６０に連結され得る。シャフトカップリング４６０は、タービン２９０を廃熱回収システム１００の第２ポンプ３８０、又は高圧供給ポンプに連結する。第２ポンプ３８０が圧力を提供するためには、第２ポンプ３８０に遠心ポンプを回転させるための動力が提供されなければならない。シャフトカップリング４６０を第２ポンプ３８０とタービン２９０の両方に連結することによって、タービン２９０は、動作時に、第２ポンプ３８０に、このような動力を提供することができる。タービン２９０は、シャフトカップリング４６０を回転させ、次いで第２ポンプ３８０に動力を供給する。従って動力源システム１１０が動作しているときに、タービン２９０は、第２ポンプ３８０に動力を供給して流体流路３６０に連続的な圧力を提供し、次いでエネルギー発生のために動力を供給する。
【００３３】
タービン２９０の第２端部４５４において、タービン２９０は、電気機械３００に連結される。電気機械は、回転子及び固定子を有することができる。タービン２９０が動作しているときに、この連結部は連結機械的エネルギーを電気機械３００に供給し、電気機械３００が回転して動力を生成可能にする。発生モード４７０において、電気機械３００は、電気機械３００が連結されるシステム又は構成要素によってＡＣ（交流）、或いはＤＣ（直流）動力を生成することができる。さらに、電気機械３００は、電気モーターとして作用することができる。電気モーターを作用させるため、電気機械３００は、車両１２０又は機械の制御器１７０から動力を引き出して電気機械３００を動作させることができる。モーターモード４８０が動作するとき、電気機械３００の電気モーターはタービン２９０に対する連結部を回転させることができ、次いてタービン２９０は、第２ポンプ３８０に連結されたシャフトカップリング４６０に連結される。電気モーターとして作用すると、電気機械３００は、このような連結部を通じて第２ポンプ３８０に動力を供給することができる。これは、第２ポンプ３８０が廃熱回収システム１００を第２圧力ステージに加圧して、タービン２９０が作動するとなり得る。電気機械３００は、廃熱回収システム１００の始動及び停止シークエンスで電気モーターとして作用することができる。従来技術の接近法に対する顕著な改善では、電気モーターとして作用する電気機械３００は、不十分なタービン動力が存在するときに、廃熱回収システム１００を加圧する第２ポンプ３８０を増強させるための追加ポンプの必要性を除去する。電気機械３００は、廃熱回収システム１００内の作動流体の熱的状態が第２圧力ステージの設定閾値未満であり得る、作用流体があらかじめ決定された熱閾値に到達しないからであり、第２制御バルブ４２０は、これらの始動及び停止シークエンスでタービン２９０への作動流体の流れを停止させ、このような条件下で電気モーターとして作用するように許容される。
【００３４】
電気機械３００は、電子連結部４９０を通じて制御器１７０に連結され得る。このような電子連結部４９０は、電気機械３００が発生モード４７０又はモーターモード４８０で作動するか否かによって制御器１７０から動力を発送及び受信することができる。このような制御及び作動を達成するため、制御器１７０内に双方向動力制御器５００が存在し得る。さらに、制御器１７０は、電気機械３００に通信動作信号を送信し、電気機械３００に所望する動作モードを通知することができる。例えば、車両１２０のオペレーターが車両を始動するときに、エンジン２６０、ターボ発電機２００、及び廃熱回収システム１００と共に動力源システム１１０は活性化されない。廃熱回収システム１００は、始動時に加圧されないことになるため、双方向電子制御器５００は、モーターモード４８０で作動するように電気機械３００に命令することができる。このようなモーターモード４８０中に、電気機械３００は、シャフトカップリング４６０を通じて第２ポンプ３８０に動力を供給し、廃熱回収システム１００を第２圧力ステージの設定圧力閾値まで上昇させることができる。廃熱回収システム１００が第２圧力ステージの設定圧力閾値に到達すると、第２制御バルブ４２０は、作動流体がタービン２９０内に流がれるように開放され得る。この時点で、双方向電力制御器５００は、追加信号を電気機械３００に送信してモーターモード４８０での動作を中断して発生モード４７０にスイッチングすることができる。発生モード４７０において、電気機械３００は、タービン２９０から機械エネルギーを受信して電力を生成し、次いて機械又は車両１２０全体にわたって分配されるように制御器１７０に送り返すことができる。さらに、タービン２９０からの機械的エネルギーは、シャフトカップリング４６０を通じてポンプ３８０に動力を提供するために使用されるであろう。
【００３５】
図４を参照すると、機械又は車両１２０内に使用され得る機械的装置５１０内のターボ発電機２００及び廃熱回収システム１００の一部切取断面図が図示される。機械的装置５１０は、ターボ発電機２００及び廃熱回収システム１００両方の構成要素を維持するハウジング５２０を有することができる。ハウジング５２０の一端部において、タービン２９０は、タービンケーシング５３０内に回転可能に取り付けられる。図示のように、タービン２９０は、シャフト５３５から半径方向に延長されて中心軸４５０を中心に回転するように取り付けられる複数のタービンブレード４４０を含む。次いで電気機械３００は、ケーシング５２０外側のタービン２９０に連結することができる。ハウジング５２０の他の端部には、第２ポンプ３８０がポンプコンパートメント５４０内に取り付けられている。シャフトカップリング４６０は、タービン２９０を第２ポンプ３８０に連結され、中心軸４５０に沿って移動する。タービン２９０が中心軸４５０を中心に回転することによって、タービン２９０は、シャフトカップリング４６０を回転させ、第２ポンプ３８０に動力を供給する。さらに、電気機械３００は、タービン２９０に連結されるが、電気機械３００がモーターモード４８０で動作するとき、このような中心軸４５０に沿ってシャフトカップリング４６０を回転させることによって、第２ポンプ３８０に動力を供給することができる。
【００３６】
産業上利用可能性
上述したことから、本源に開示される動力源用の廃熱回収システムは、様々な産業において適用可能性を有することができ、熱を生成する、動力源を使用して上記の熱から回収され得る付加動力に対する必要性を有する任意の類型の機械又は車両に使用するがこれに限定されない。さらに、動力源用の廃熱回収システムは、エンジンが回収される熱廃棄物を生成してこれによって機械又は車両の効率を向上させ得る全ての産業システムに使用することができる。このような廃熱回収システムが有益し得るこのような一つの産業は、輸送産業である。例えば、トラックなど内での廃熱回収システムの使用は、より大きな燃料効率を招くことができる。このようなシステムを通じてより多くのエンジン熱が動作動力として回収されるため、より少し燃料が車両のエンジンに動力を供給するのに必要する。さらに、このような廃熱回収システムは、タービンのみ使い、ポンプに動力を供給するように十分な流体動力又は作動流体品質が存在しない時間間に、廃熱回収システムの高圧ポンプを補助するために追加的な外部動力源、ポンプ又は他の構成要素が必要とされない点で有益である。これは、さらにコンパクトで効率的な設計を招き、廃熱回収システムが輸送車両のエンジンコンパートメントのような混雑した空間で、より少ない空間を使用可能にする。外側の構成要素、より小さい空間的要求、及びより少し燃料消費量を使用しないことは、オペレーターや車両所有者の両方、又は動力源用の廃熱回収システムを使用する機械に対する経済的な節約を招く。
【００３７】
さらに、動力源用の廃熱回収システムは、熱を生成する機械の使用を容易にする任意の類型の産業に使用されることができる。このような産業には輸送（上述の通り）、鉱業、建設、海洋、農事、警察及び軍事作業機械、レジャー用オフロード機械、鉄道、農業、造船装備、排水及び下水道の維持保守機械、水中維持保守機械、大規模な発電装備、小型補助発電装備、又はエンジンを有する機械が副産物として熱を生成する任意の環境を含むことができる。
【００３８】
本開始による廃熱回収システム１００を動作する例示的な方法は、図５内の流れ図のフォーマットで図示する。ブロック５５０に図示するように、この方法は制御器１７０がオペレーターから始動入力を受信することから始めることができる。制御器１７０は、図１に示すように、機械又は車両１２０の一部であり得る。始動入力は、制御器１７０に連結されるノブ又はスイッチであり得て、動力源システム１１０に始動信号を伝送するように動作可能である。その後、ブロック５６０において、制御器１７０は、始動信号を動力源システム１１０の各エンジン２６０、ターボ発電機２００及び廃熱回収システム１００に伝達する。
【００３９】
次いで、ブロック５７０において、作動流体圧力センサー３３０が圧力信号３２０を制御器１７０に報告することとして、これによって廃熱回収システム１００内の圧力を制御器１７０に通知する。廃熱回収システム１００の圧力は、ブロック５８０で廃熱回収システム１００の設定圧力閾値と比較される。圧力信号３２０が、廃熱回収システム１００の圧力が設定圧力閾値未満であることを示す場合、制御器１７０は、ブロック５９０でターボ発電機２００の電気機械３００にモーターモード信号を伝送する。しかし、圧力信号３２０が、廃熱回収システム１００の圧力が設定圧力閾値より大きいことを示す場合は、制御器１７０は、ブロック６００に示すように、ターボ発電機２００の電気機械３００に発電機モード信号を発送する。モーターモード信号又は発生モードの信号は、機械或いは車両１２０の制御器１７０内に含まれている双方向電力制御器５００によって発送されることができる。ブロック５９０のモーターモードの信号は、電気モーターとしてモーターモード４８０で動作するように電気機械３００に通知する。ブロック６１０に示すように、モーターモード４８０で電気機械３００を動作すると、電気機械３００がターボ発電機２００の各タービン２９０に連結されているシャフトカップリング４６０を回転させるのみならず、廃熱回収システム１００の第２ポンプ３８０に動力を供給可能にする。廃熱回収システム１００の第2ポンプ３８０に動力を供給することによって、モーターモード４８０で動作する電気機械３００は、廃熱回収システム１００内の圧力を増加させる。
【００４０】
次いで、ブロック６２０において、作動流体圧力センサー３３０は、制御器１７０に第２圧力信号を伝送することができる。廃熱回収システム１００の第２の報告された圧力は、ブロック６３０において廃熱回収システム１００の設定圧力閾値と比較される。第２圧力信号が、廃熱回収システム１００内の圧力が設定圧力閾値より大きいことを報告すると、ブロック６００に示すように、発電機モード信号が制御器１７０でターボ発電機２００の電気機械３００に設定される。しかし、第２圧力信号が、廃熱回収システム１００内の圧力が設定圧力閾値未満であることを報告すると、電気機械３００は、ブロック６１０のモーターモード４８０で続けて動作する。ブロック６００で伝送された発電機のモードの信号は、適用可能であれば、モーターモード４８０で動作を中断して発生モード４７０にスイッチングするように電気機械３００に通知する。最後に、ブロック６４０において、発生モード４７０で動作する電気機械３００は、電力を生成するため、電気機械３００に動力を供給するタービン２９０への連結部を通じて回転することができる。
【００４１】
上記の詳細な説明は、特定の実施形態のみを言及しているが、本開示の範囲はこれによって限定されるように意図されることを理解すべきである。むしろ、本開示の幅及び思想は、具体的に開示される任意の実施形態より、広いことで意図される。
【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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【国際調査報告】
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