(57)【要約】内燃機関熱エネルギ回収システムは、内燃機関（１０）の少なくとも１つの熱エネルギ源およびシステム（１）の作動流体と熱的に接続されるよう配置されて、熱エネルギ源からシステム（１）の作動流体へと熱エネルギを伝達する第１熱交換器（２０）を備える。タービン（３０）は、軸動力を生成するよう作動流体を膨張させるために第１熱交換器（２０）において加熱された作動流体と流体接続されるよう配置される。第２熱交換器（４０）は、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう配置されて、廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する。第１コンプレッサ（５０）は、熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、冷却された作動流体の圧力を第１熱交換器（２０）へと入る前に増加させる。システムの作動流体は実質的に超臨界流体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関熱エネルギ回収システムであって、
内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源と前記システムの作動流体とに熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、前記熱エネルギ源から前記システムの前記作動流体へと熱エネルギを伝達する第１熱交換器と、
軸動力を生成するよう前記作動流体を膨張させるために前記第１熱交換器において加熱された前記作動流体と流体接続されるよう配置されるタービンと、
前記膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する第２熱交換器と、
前記熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、前記冷却された作動流体の圧力を前記第１熱交換器へと入る前に増加させる第１コンプレッサと、
を備えるシステムであり、
前記システムの前記作動流体が超臨界流体である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２】
内燃機関熱エネルギ回収システムであって、
内燃機関の第１熱エネルギ源および前記内燃機関の第２熱エネルギ源と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、前記第１熱エネルギ源から前記内燃機関の前記第２熱エネルギ源へと熱エネルギを伝達する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器において加熱された前記内燃機関の前記第２熱エネルギ源と前記システムの作動流体とに熱的に接続されるよう配置されて、前記第２熱エネルギ源から前記システムの前記作動流体へと熱エネルギを伝達する中間熱交換器と、
軸動力を生成するよう前記作動流体を膨張させるために前記中間熱交換器において加熱された前記作動流体と流体接続されるよう配置されるタービンと、
前記膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する第２熱交換器と、
前記熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、前記冷却された作動流体の圧力を前記中間熱交換器へと入る前に増加させる第１コンプレッサと、
を備えるシステムであり、
前記システムの前記作動流体が実質的に超臨界流体である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記作動流体は超臨界二酸化炭素である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記作動流体は超臨界水または他の超臨界冷媒である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記タービンによって生成された軸動力を電力へと変換するよう前記タービンに機能的に関係する発電機を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項６】
請求項５に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記発電機によって生成された電力を貯蔵するための電池を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記内燃機関の前記少なくとも１つの熱エネルギ源または前記第１熱エネルギ源は排気ガスである内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記内燃機関の前記少なくとも１つの熱エネルギ源または前記第２熱エネルギ源はエンジン冷却液である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項９】
請求項８に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記第１熱交換器によって冷却されたエンジン冷却液を前記内燃機関へと戻るよう再循環させるよう配置される冷却液再循環導管を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記冷却液再循環導管は、水回路における前記機関内に前記エンジン冷却液を再循環させるよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、水回路が作動流体の循環に対して前記機関内に配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１２】
請求項１〜１２のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記内燃機関の前記少なくとも１つの熱エネルギ源または前記第１熱エネルギ源はエンジンオイルである内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記第１熱交換器によって冷却されたエンジンオイルを前記内燃機関へと戻るよう再循環させるよう配置されるエンジンオイル再循環導管を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記エンジンオイル再循環導管は、オイル回路において前記機関内に戻るようエンジンオイルを再循環させるよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記少なくとも１つの熱エネルギ源は、乗り物の空調装置によって放出される凝縮器熱である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記内燃機関の複数の熱エネルギ源から熱エネルギを回収するよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１熱交換器は、エンジン排気の態様の第１熱エネルギ源およびエンジン冷却液の態様の第２熱エネルギ源のそれぞれと熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１熱交換器は、排気ガスから作動流体へと熱エネルギを伝達する排気ガス受取熱交換器と、エンジン冷却液から作動流体へと熱エネルギを伝達する冷却液受取熱交換器と、を備える内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１熱交換器はさらに、エンジンオイルの態様のさらなる熱エネルギ源と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されてエンジンオイルから作動流体へと熱エネルギを伝達するオイル受取熱交換器を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１コンプレッサは、前記タービンによって駆動されるように前記タービンの前記出力軸と機能的に関係している内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２１】
請求項６〜１９のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記電池から電力を取り出すよう配置されるモータを有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１コンプレッサは、前記モータと機能的に関係しており、前記モータによって駆動される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２３】
請求項１〜１９のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１コンプレッサは前記内燃機関によって生成された軸動力によって駆動される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２４】
請求項５に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１コンプレッサは、前記発電機によって生成された電力によって直接駆動される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２５】
請求項５に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムはさらに、前記発電機から電力を取り出すよう配置された貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記デジタル制御モータ装置は、機械的動力を貯蔵するためのフライホイールを備える内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２７】
請求項２５または２６に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記デジタル制御モータ装置はさらに、前記フライホイールと磁気的に接続されるよう配置されるロータを有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記フライホイールと前記ロータとは種々の回転速度で動作するよう構成されている内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項２９】
請求項２５〜２８のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記デジタル制御モータ装置によって生成された電力の少なくとも一部は、前記第１コンプレッサを駆動するために用いられる内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３０】
請求項２５〜２８のいずれか１に記載の、請求項６に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記デジタル制御モータ装置は、生成した電力の少なくとも１部を貯蔵するために前記電池へと振り分けるよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３１】
請求項１〜３０のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムはさらに、空気供給器と流体接続される第２コンプレッサと、前記第２コンプレッサから出て来る圧縮空気を冷却するために配置される第１中間冷却器と、を有しており、
前記冷却された圧縮空気は、前記内燃機関の吸込口と流体接続されるよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３２】
請求項３１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第２熱交換器によって冷却された作動流体の一部は、圧縮空気を冷却するために、前記第１コンプレッサへと入る前に、前記中間冷却器を通るよう分流される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３３】
請求項３１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムは、前記第１中間冷却器と熱的に接続される、より好ましくは流体接続される第２中間冷却器を有し、前記第１中間冷却器と前記第２中間冷却器とは中間冷却器流体が流れる閉ループに配置されており、
前記第２熱交換器によって冷却された作動流体の一部は、前記第１コンプレッサへと入る前に、前記中間冷却器流体と熱交換するために前記第２中間冷却器を通るよう分流される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３４】
請求項３３に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記中間冷却器流体は水である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３５】
請求項３１に記載の、請求項５に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第２コンプレッサは、前記発電機によって生成された電力によって直接駆動される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３６】
請求項３１に記載の、請求項６に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第２コンプレッサは、前記電池に貯蔵された電力によって動力が供給されるモータによって駆動される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３７】
請求項７〜３４のいずれか１に記載の、請求項６に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記システムはさらに、前記電池に貯蔵された電力の一部によって動力が供給されるモータ発電機を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３８】
請求項３７に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記モータ発電機は、前記内燃機関によって動力が供給される乗り物の駆動軸と機能的に関係している内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項３９】
請求項３７または３８に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記モータ発電機は、前記乗り物の駆動軸を回転させるよう前記電池から電力を取り出すように構成されている内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４０】
請求項３１〜３９のいずれか１に記載の、請求項２５に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記デジタル・ギヤーボックス・モータによって生成された電力の一部は前記第１コンプレッサを駆動するよう用いられ、該電力の他の部分は前記第２コンプレッサを駆動するよう用いられる内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４１】
請求項３０〜４０のいずれか１に記載の、請求項６に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第１コンプレッサを駆動するよう、前記タービンと前記第１コンプレッサとの両方に機能的に接続されるよう配置される第１貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置をさらに有し、
乗り物の駆動軸に機能的に関係しているとともに、該乗り物の駆動軸を回転させるよう、前記電池から電力を取り出すように構成されている第２貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置をさらに有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４２】
請求項１〜４１のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、作動流体は、前記第１熱交換器に入る前に、少なくとも１つの機関部品と熱的に接続され該少なくとも１つの機関部品から作動流体へと熱エネルギを伝達するよう前記内燃機関を通じて循環する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４３】
請求項４２に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記少なくとも１つの機関部品は燃焼シリンダである内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４４】
請求項４２に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記少なくとも１つの機関部品はエンジンオイルである内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４５】
請求項１〜４４のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、さらに、前記第１熱交換器に入る前に、前記内燃機関から出て行く際に作動流体へと熱エネルギを伝達するよう、作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置される復熱器を備える内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４６】
請求項４５に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記復熱器はまた、前記第２熱交換器に入る前に、作動流体から熱エネルギを伝達するよう、前記膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置されている内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４７】
請求項４４または４５に記載の、請求項２に従属する内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記復熱器は、前記中間熱交換器に入る前に、前記第１コンプレッサから出て行く際に作動流体へと熱エネルギを伝達するよう、作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置されている内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４８】
請求項４７に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記復熱器はまた、前記第２熱交換器に入る前に、作動流体から熱エネルギを伝達するよう、前記膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置されている内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項４９】
内燃機関熱エネルギ回収システムであって、
内燃機関の少なくとも１つの部品と熱的に接続されるよう配置されて前記内燃機関の前記少なくとも１つの部品からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する内燃機関熱交換器と、
前記内燃機関熱交換器によって加熱される作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、そして前記内燃機関の少なくとも１つのさらなる熱エネルギ源と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、前記熱エネルギ源から前記システムの前記作動流体へと熱エネルギを伝達する第１熱交換器と、
軸動力を生成するよう前記作動流体を膨張させるために前記第１熱交換器において加熱された前記作動流体と流体接続されるよう配置されるタービンと、
前記タービンからの膨張された作動流体と流体接続されるよう配置されてその中の熱を回収する復熱器であって、前記内燃機関熱交換器によって加熱される作動流体と、前記第１熱交換器へと入る前に、さらに流体接続されるよう配置されて該作動流体を冷却する復熱器と、
前記復熱器において加熱された作動流体と流体状態に配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、前記冷却された作動流体の圧力を前記内燃機関熱交換器へと入る前に増加させる第１コンプレッサと、
を備えるシステムであり、
前記システムの前記作動流体が超臨界流体である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５０】
請求項４９に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記内燃機関熱交換器は、前記内燃機関の前記少なくとも１つの部品と熱的に接続されるよう配置される導管であるかまたは前記導管を有する内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５１】
請求項５０に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記導管は前記内燃機関を通って作動流体を移送するよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５２】
請求項４９に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、さらに、前記第１コンプレッサから出て来る作動流体と流体接続される第３熱交換器を備えており、
前記第３熱交換器を通過する作動流体は、作動流体を冷却するために外気と熱的に接続される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５３】
請求項５２に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、さらに、空気供給器と流体接続される第２コンプレッサと、前記第２コンプレッサから出て来る圧縮空気を冷却するために配置される第１中間冷却器と、を備えており、
前記冷却された圧縮空気は、前記第３熱交換器から出て来る作動流体と、前記内燃機関熱交換器へと入る前に、圧縮空気を冷却するよう熱的に接続される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５４】
請求項４９〜５３のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記内燃機関熱交換器は前記内燃機関内に配置されている内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５５】
請求項４９〜５４のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記少なくとも１つの機関部品は燃焼シリンダまたはエンジンオイルのいずれかである内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５６】
請求項４９〜５５のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記第２熱交換器は作動流体から大気に廃熱を伝達するよう配置される内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５７】
内燃機関熱エネルギ回収システムであって、
内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源および前記システムの作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、前記熱エネルギ源から前記システムの前記作動流体へと熱エネルギを伝達する第１熱交換器と、
軸動力を生成するよう前記作動流体を膨張させるために前記第１熱交換器において加熱された前記作動流体と流体接続されるよう配置されるタービンと、
前記膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気に伝達する第２熱交換器と、
前記熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、前記冷却された作動流体の圧力を前記第１熱交換器へと入る前に増加させる第１コンプレッサと、
を備えるシステムであり、
前記システムの前記作動流体が実質的に超臨界流体である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５８】
内燃機関熱エネルギ回収システムであって、
内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源と前記システムの作動流体とに熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、前記熱エネルギ源から前記システムの前記作動流体へと熱エネルギを伝達する第１熱交換器と、
軸動力を生成するよう前記作動流体を膨張させるために前記第１熱交換器において加熱された前記作動流体と流体接続されるよう配置されるタービンと、
前記膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気に伝達する第２熱交換器と、
前記熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、前記冷却された作動流体の圧力を前記第１熱交換器へと入る前に増加させる第１加圧装置と、
を備えるシステムであり、
前記システムの前記作動流体が実質的に超臨界流体である内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項５９】
請求項５８に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、前記加圧装置はヒートポンプである内燃機関熱エネルギ回収システム。
【請求項６０】
請求項１〜６０のいずれか１に記載の内燃機関熱エネルギ回収システムであって、作動流体は少なくとも前記タービンへと入る前に超臨界的状態となる内燃機関熱エネルギ回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼プロセスから内燃機関において通常浪費される熱（廃熱）を回収して、その熱を電気など有用な態様のエネルギに転換するために熱機関を用いる内燃機関熱エネルギ回収システムに関する。本発明は、フォーミュラ１（Ｆ１）において用いられるような自動車レース用エンジンに対して主として開発され、主としてこの観点から記載する。しかしながら、本発明はまた、ハイブリッド自動車、輸送体(transport vehicles)（トラック、バス、列車、飛行機など）、発電機（ディーゼル発電機セット）およびほとんどの内燃機関における他の用途も想定される。
【０００２】
本仮特許出願は、２０１４年６月３０日に出願された発明の名称を「貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置(Digitally Controlled Motor Device With Storage)」とする本出願人の対応する豪州仮特許出願第２０１４９０２４９５号明細書において記載された貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置と、２０１５年６月２９日に出願された発明の名称を「貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置」とする対応する国際特許出願（ＰＣＴ）と、に関し、これらの内容全体を参照によって援用する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギの価格、特に道路や海や空の多くの乗り物に動力を供給するガソリン(petroleum)や軽油(diesel)など石油(oil)ベースの燃料の価格は、着実に増加している。経済の大部分は輸送費の増加に影響を受ける。また、各国政府はエンジン排気規制に対してより厳しい環境基準の導入を継続している。
【０００４】
ガソリン内燃機関は、燃料エネルギを機械軸の仕事に変換する効率が典型的には３０％未満であり、典型的にはエネルギの６０％以上が排気やラジエータを通じて浪費される。エンジンにおいて熱エネルギの大部分が浪費されていることは、乗り物の推進を補助しそしてエネルギ消費および排気を低減するために、この熱エネルギを回収し、その熱エネルギを電気など有用な態様に転換する可能性があることを意味する。
【０００５】
従来技術は、典型的には全廃熱の６５％に過ぎない排気ガスの熱の回収に主として注力している。これらの技術のほとんどは、この熱を電気に変換するために蒸気ランキンサイクルの態様の熱機関を用いている。このランキンサイクル・エネルギ変換の態様の効率は、典型的には５％から２０％の範囲で変化する。この方法は利用可能なエネルギ量を生成することが分かっているが、システムに必要とされる部品のサイズ、複雑性、および特に重量がシステムのエネルギ利得と比較して大きすぎる。自動車メーカーはこの技術に挑戦し、ある程度の成功を試験で納めたが、本出願人の知る限りでは、商業的に実現でき生産に入ったものはない。
【０００６】
廃熱エネルギを回収し利用する他の態様では、エンジンの直ぐ下流側に配置され熱い膨張する排気ガスによって動力を得るタービンを有するターボチャージャ（ターボ過給機）を用いる。タービンは、より多くの空気をエンジンへ導入するために圧縮空気をエンジン吸気口へ供給するよう配置されるコンプレッサに直接連結される。
【０００７】
ターボチャージ式（ターボ過給機付き）エンジンは一般的にはガソリンベースのスポーツカーに用いられている。信頼性が不確かであり通例では燃料消費量が増加するからである。現在では、エンジンのサイズを小さくした乗り物を製造する傾向、そしてエンジントルクとパワーの不足を補うためにターボチャージャを利用する傾向がある。これにより、燃料消費量と排気は低減されるが、ターボチャージャは廃熱エネルギを利用可能なエネルギに変換することに関してあまり効率的ではない。
【０００８】
２０１４年シーズンのフォーミュラ１レースを管理する国際自動車連盟（ＦＩＡ）の規則（レギュレーション）では、制動時に失われる運動エネルギを回収するモータ発電機ユニット（ＭＧＵ−Ｋとして知られている）の使用、およびエンジンから失われる熱エネルギを回収するユニット（ＭＧＵ−Ｈとして知られている）の使用が認められている。これらの技術の使用により、フォーミュラ１シリーズを「環境にやさしく(go green)」行うことができ、そして、自動車は、３０％を超える燃料消費量を節約するはるかに小さいハイブリッド・エンジン機構で、同様な高速のラップタイムとスピードとを維持することができる。規則はＭＧＵ−Ｈに関しては完全な自由度が与えられており、それは一般的なターボチャージ（ターボ過給）だけでなく、熱エネルギを用いる他の態様も認められていることを意味する。この目的のために使用される現在の技術では、モータ発電機に連結されて、低い速度ではモータ発電機に動力を供給してターボラグ（遅れ）を低減し、タービンが最大許容速度よりも速く回転する高い速度では発電する電子ターボ（チャージャ）を利用する。生成されるあらゆる動力を、１ラップ（１周）当たり４ＭＪ(4MJ per lap)まで貯めておくことができ、自動車をより大きい動力で推進させるようＭＧＵ−Ｋに動力を供給するために用いることができる。ＭＧＵ−Ｈにおいて生成された余分な動力に関しては、それを動力および速度を増加するためにＭＧＵ−Ｋに供給する限り、規則に制限はない。
【０００９】
既知の技術を用いた廃熱エネルギの利用により、燃料消費量および排気の低減に対して相当な性能の利得が得られる。しかしながら、変換される有用なエネルギの量はそれでも、浪費される全エネルギのほんの一部である。さらに、２０１４年のフォーミュラ１シーズンにおいて用いられている現在の技術は、先のシーズンに用いられていたＶ８エンジンの独特な騒音レベルから既に低減されているＶ６エンジンの騒音レベルを、スポーツ観戦者の楽しみに関して論争の的になってしまう程度まで、落とし、残念な結果に終わった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来技術を改善するまたは従来技術に有用な代案を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１熱交換器と、タービンと、第２熱交換器と、第１コンプレッサと、を備える内燃機関熱エネルギ回収システムを開示する。
第１熱交換器は、内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源およびシステムの作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、熱エネルギ源からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する。
タービンは、軸動力を生成するよう作動流体を膨張させるために第１熱交換器において加熱された作動流体と流体接続されるよう配置される。
第２熱交換器は、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する。
第１コンプレッサは、熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、冷却された作動流体の圧力を第１熱交換器へと入る前に増加させる。システムの作動流体は超臨界流体である。
【００１２】
第１熱交換器と、中間熱交換器と、タービンと、第２熱交換器と、第１コンプレッサと、を備える内燃機関熱エネルギ回収システムを開示する。
第１熱交換器は、内燃機関の第１熱エネルギ源および内燃機関の第２熱エネルギ源と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、第１熱エネルギ源から内燃機関の第２熱エネルギ源へと熱エネルギを伝達する。
中間熱交換器は、第１熱交換器において加熱された内燃機関の第２熱エネルギ源およびシステムの作動流体と熱的に接続されるよう配置されて、第２熱エネルギ源からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する。
タービンは、軸動力を生成するよう作動流体を膨張させるために中間熱交換器において加熱された作動流体と流体接続されるよう配置される。
第２熱交換器は、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する。
第１コンプレッサは、熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、冷却された作動流体の圧力を中間熱交換器へと入る前に増加させる。システムの作動流体は実質的に超臨界流体である。
【００１３】
システムは、高密度な超臨界作動流体により、蒸気ランキンサイクルと比較してシステムが高い動作温度および高い圧力で動作することができ、これにより、タービンブレードを高速で回転させることができる利点を有する。これにより、タービンによって生成される軸動力の量が、そのサイズおよび重量に対して増加する。
【００１４】
好ましくは、作動流体は超臨界二酸化炭素である。あるいは、作動流体は超臨界水または他の超臨界冷媒である。
【００１５】
好ましくは、システムは、タービンによって生成された軸動力を電力へと変換するようタービンに機能的に関係する発電機を有する。発電機を、タービンによって生成された軸動力の増加による長所によって、ランキンサイクルに基づいたエネルギ回収システムにおいて必要とされるものよりも、大幅に小さくすることもできる。
【００１６】
好ましくは、発電機によって生成された電力を貯蔵するための電池を有する。
【００１７】
好ましくは、内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源または第１熱エネルギ源は排気ガスである。
【００１８】
好ましくは、内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源または第２熱エネルギ源はエンジン冷却液である。好ましくは、システムは、第１熱交換器によって冷却された機関（エンジン）冷却液を内燃機関へと戻るよう再循環させるよう配置される冷却液再循環導管を、最も好ましくは水回路におけるエンジンヘッド内に、有する。あるいは、作動流体は水回路における機関内で循環することもできる。
【００１９】
好ましくは、内燃機関の少なくとも１つの廃熱エネルギ源または第１廃熱エネルギ源はエンジンオイルである。好ましくは、システムは、第１熱交換器によって冷却されたエンジンオイルを内燃機関へと戻るよう再循環させるよう配置されるエンジンオイル再循環導管を、最も好ましくはオイル回路におけるエンジン内に、有する。
【００２０】
好ましくは、少なくとも１つの廃熱エネルギ源は、乗り物の空調装置によって放出される凝縮器熱である。
【００２１】
好ましくは、システムは、内燃機関の複数の熱エネルギ源から熱エネルギを回収するよう配置される。
【００２２】
ある態様では、第１熱交換器は、エンジン排気の態様の第１熱エネルギ源およびエンジン冷却液の態様の第２廃熱エネルギ源のそれぞれと熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置される。好ましくは、第１熱交換器は、排気ガスから作動流体へと熱エネルギを伝達する排気ガス受取熱交換器と、エンジン冷却液から作動流体へと熱エネルギを伝達する冷却液受取熱交換器と、を備える。
【００２３】
好ましくは、第１熱交換器はさらに、エンジンオイルの態様のさらなる熱エネルギ源と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されてエンジンオイルから作動流体へと熱エネルギを伝達するオイル受取熱交換器を有する。
【００２４】
好ましくは、第１コンプレッサは、タービンによって駆動されるようにタービンの出力軸と機能的に関係している。
【００２５】
あるいは、システムは、電池から電力を取り出すよう配置されるモータを有する。好ましくは、第１コンプレッサは、モータと機能的に関係しており、モータによって駆動される。
【００２６】
他の態様では、第１コンプレッサは内燃機関によって生成された軸動力によって駆動される。
【００２７】
あるいは他の態様では、第１コンプレッサは、発電機によって生成された電力によって直接駆動される。
【００２８】
好ましくは、システムはさらに、発電機から電力を取り出すよう配置された貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置を有する。好ましくは、デジタル制御モータ装置は、機械的動力を貯蔵するためのフライホイールを備える。好ましくは、デジタル制御モータ装置はさらに、フライホイールと磁気的に接続されるよう配置されるロータを有する。好ましくは、フライホイールとロータとは種々の回転速度で動作するよう構成されている。ある態様では、デジタル制御モータ装置によって生成された電力の少なくとも１部は、第１コンプレッサを駆動するために用いられる。好ましくは、デジタル制御モータ装置は、生成した電力の少なくとも１部を貯蔵するために電池へと振り分けるよう配置される。
【００２９】
好ましくは、システムはさらに、空気供給器と流体接続される第２コンプレッサと、第２コンプレッサから出て来る圧縮空気を冷却するために配置される第１中間冷却器と、を有しており、冷却された圧縮空気は、内燃機関の吸込口と流体接続されるよう配置される。
【００３０】
好ましくは、第２熱交換器によって冷却された作動流体の一部は、圧縮空気を冷却するために、第１コンプレッサへと入る前に、中間冷却器を通るよう分流される。好ましくは、システムは、第１中間冷却器と熱的に接続される、より好ましくは流体接続される第２中間冷却器を有し、第１中間冷却器と第２中間冷却器とは中間冷却器流体が流れる閉ループに配置されており、第２熱交換器によって冷却された作動流体の一部は、第１コンプレッサへと入る前に、中間冷却器流体と熱交換するために第２中間冷却器を通るよう分流される。好ましくは、中間冷却器流体は水である。
【００３１】
ある態様では、第２コンプレッサは、発電機によって生成された電力によって直接駆動される。他の態様では、第２コンプレッサは、電池に貯蔵された電力によって動力が供給されるモータによって駆動される。
【００３２】
好ましくは、システムはさらに、電池に貯蔵された電力の一部によって動力が供給されるモータ発電機を有する。好ましくは、モータ発電機は、内燃機関によって動力が供給される乗り物の駆動軸と機能的に関係している。好ましくは、モータ発電機は、乗り物の駆動軸を回転させるよう電池から電力を取り出すように構成されている。
【００３３】
好ましくは、デジタル・ギヤーボックス・モータによって生成された電力の一部は第１コンプレッサを駆動するよう用いられ、該電力の他の部分は第２コンプレッサを駆動するよう用いられる。
【００３４】
好ましくは、システムは、第１コンプレッサを駆動するよう、タービンと第１コンプレッサとの両方に機能的に接続されるよう配置される第１貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置を有し、乗り物の駆動軸に機能的に関係しているとともに、該乗り物の駆動軸を回転させるよう、電池から電力を取り出すように構成されている第２貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置をさらに有する。
【００３５】
フォーミュラ１レーシングカー（レース用自動車）において利用された場合のこの態様の利点は、エンジン排気においてターボチャージャを直接使用することなく、廃熱エネルギを機関から回収することができることにある。これにより、機関のサウンドレベルを維持しながら、エネルギ回収を最大限に行い、燃料放出を低減することができる。
【００３６】
ある態様において、作動流体は、第１熱交換器に入る前に、少なくとも１つの機関部品と熱的に接続され該少なくとも１つの機関部品から作動流体へと熱エネルギを伝達するよう内燃機関を通じて循環する。好ましくは、少なくとも１つの機関部品は燃焼シリンダである。あるいは、エンジンオイルとすることもできる。
【００３７】
好ましくは、システムは、第１熱交換器に入る前に、内燃機関から出て行く際に作動流体へと熱エネルギを伝達するよう、作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置される復熱器を備える。より好ましくは、復熱器はまた、第２熱交換器に入る前に、作動流体から熱エネルギを伝達するよう、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置されている。
【００３８】
ある態様において、復熱器は、中間熱交換器に入る前に、第１コンプレッサから出て行く際に作動流体へと熱エネルギを伝達するよう、作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置されている。より好ましくは、復熱器はまた、第２熱交換器に入る前に、作動流体から熱エネルギを伝達するよう、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、好ましくは流体接続されるよう配置されている。
【００３９】
内燃機関熱交換器と、第１熱交換器と、タービンと、復熱器と、第２熱交換器と、第１コンプレッサと、を備える内燃機関熱エネルギ回収システムを開示する。
内燃機関熱交換器は、内燃機関の少なくとも１つの部品と熱的に接続されるよう配置されて、内燃機関の少なくとも１つの部品からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する。
第１熱交換器は、内燃機関熱交換器によって加熱される作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、そして内燃機関の少なくとも１つのさらなる熱エネルギ源と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、熱エネルギ源からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する。
タービンは、軸動力を生成するよう作動流体を膨張させるために第１熱交換器において加熱された作動流体と流体接続されるよう配置される。
復熱器は、タービンからの膨張された作動流体と流体接続されるよう配置されてその中の熱を回収する。また、復熱器は、内燃機関熱交換器によって加熱される作動流体と、第１熱交換器へと入る前に、さらに流体接続されるよう配置されて該作動流体を冷却する。
第２熱交換器は、復熱器において加熱された作動流体と流体状態に配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気などの外部源に伝達する。
第１コンプレッサは、第２熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、冷却された作動流体の圧力を内燃機関熱交換器へと入る前に増加させる。システムの作動流体が超臨界流体である。
【００４０】
好ましくは、内燃機関熱交換器は、内燃機関の少なくとも１つの部品と熱的に接続されるよう配置される導管である、または、内燃機関熱交換器は、内燃機関の少なくとも１つの部品と熱的に接続されるよう配置される導管を有する。好ましくは、導管は内燃機関を通って作動流体を移送するよう配置される。
【００４１】
好ましくは、システムは、第１コンプレッサから出て来る作動流体と流体接続される第３熱交換器を備えており、第３熱交換器を通過する作動流体は、作動流体を冷却するために外気と熱的に接続される。好ましくは、システムはさらに、空気供給器と流体接続される第２コンプレッサと、第２コンプレッサから出て来る圧縮空気を冷却するために配置される第１中間冷却器と、を備えており、冷却された圧縮空気は、第３熱交換器から出て来る作動流体と、内燃機関熱交換器へと入る前に、圧縮空気を冷却するよう熱的に接続される。
【００４２】
好ましくは、内燃機関熱交換器は内燃機関内に配置されている。好ましくは、少なくとも１つの機関部品は燃焼シリンダまたはエンジンオイルのいずれかである。
【００４３】
好ましくは、第２熱交換器は作動流体から大気に廃熱を伝達する。
【００４４】
第１熱交換器と、タービンと、第２熱交換器と、第１コンプレッサと、を備える内燃機関熱エネルギ回収システムを開示する。
第１熱交換器は、内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源およびシステムの作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、熱エネルギ源からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する。
タービンは、軸動力を生成するよう作動流体を膨張させるために第１熱交換器において加熱された作動流体と流体接続されるよう配置される。
第２熱交換器は、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気に伝達する。
第１コンプレッサは、熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、冷却された作動流体の圧力を第１熱交換器へと入る前に増加させる。システムの作動流体は実質的に超臨界流体である。
【００４５】
第１熱交換器と、タービンと、第２熱交換器と、第１加圧装置と、を備える内燃機関熱エネルギ回収システムをさらに開示する。
第１熱交換器は、内燃機関の少なくとも１つの熱エネルギ源およびシステムの作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、熱エネルギ源からシステムの作動流体へと熱エネルギを伝達する。
タービンは、軸動力を生成するよう作動流体を膨張させるために第１熱交換器において加熱された作動流体と流体接続されるよう配置される。
第２熱交換器は、膨張された作動流体と熱的に接続されるよう、より好ましくは流体接続されるよう、配置されて、該作動流体から廃熱を取り出し、大気に伝達する。
第１加圧装置は、熱交換器から出てくる作動流体と流体接続されるよう配置されて、冷却された作動流体の圧力を第１熱交換器へと入る前に増加させる。システムの作動流体は実質的に超臨界流体である。
【００４６】
ある態様において、加圧装置はヒートポンプである。
【００４７】
好ましくは、作動流体は少なくともタービンへと入る前に超臨界的状態となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
単なる例としての本発明の好ましい態様を、添付の図面を参照して説明する。
【図１】熱がエンジン排気ガスから回収され有用な仕事を実行するために変換される、内燃機関熱エネルギ回収システムの第１実施形態の概略図である。
【図２】熱がエンジン冷却液から回収され有用な仕事を実行するために変換される、内燃機関熱エネルギ回収システムの第２実施形態の概略図である。
【図３】熱がエンジンオイルから回収され有用な仕事を実行するために変換される、内燃機関熱エネルギ回収システムの第３実施形態の概略図である。
【図４】熱がエンジン冷却液と排気ガスとから回収される、さらなる実施形態の概略図である。
【図５】熱がエンジン冷却液とエンジンオイルと排気ガスとから回収される、さらなる実施形態の概略図である。
【図６】エンジンによって駆動されるコンプレッサを用いて熱がエンジン冷却液と排気ガスとから回収される、さらなる実施形態の概略図である。
【図７】タービンによって直接駆動されるコンプレッサを用いて熱がエンジン冷却液と排気ガスとから回収される、さらなる実施形態の概略図である。
【図８】貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置において、デジタル制御モータ装置によって駆動されるコンプレッサを用いて、熱がエンジン冷却液と排気ガスとから回収され有用な仕事を実行するために変換される、さらなる実施形態の概略図である。
【図９】図８の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置の概略図である。
【図１０】エンジンへより多くの空気を導入するために第２コンプレッサも駆動するタービンによって直接駆動されるコンプレッサを用いて熱がエンジン冷却液と排気ガスとから回収され有用な仕事を実行するために変換される、さらなる実施形態の概略図である。
【図１１】ターボ中間冷却器と中間熱交換器とをさらに有する、図１０のシステムの変形例の概略図である。
【図１２】第２コンプレッサに電気モータによって動力が供給される、図１０のシステムの変形例の概略図である。
【図１３】第１コンプレッサが貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置によって直接的に駆動され、第２コンプレッサが貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置によって間接的に駆動される、図１０のシステムの変形例の概略図である。
【図１４】第２貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置が、内燃機関によって直接的に動力が供給される乗り物を駆動するために用いられる、図１３の実施形態の変形例の概略図である。
【図１５】乗り物の操縦者に冷房を提供するための熱交換器をさらに有する、図１４の実施形態の変形例の概略図である。
【図１６】コンプレッサをヒートポンプと置き換えた、図１の実施形態の変形例の概略図である。
【図１７】システムが第２コンプレッサから出て来る圧縮空気を冷却するための中間冷却器を有しており、第１貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置がタービン軸に接続されており、そしてさらなるデジタル制御モータ装置が乗り物の駆動軸に接続されている、図１０のシステムの変形例の概略図である。
【図１８】作動流体が内燃機関を通って循環し内部で熱交換を行い、復熱熱交換器が第１熱交換器へと入る前に作動流体を予熱するためにタービンの後に組み込まれている図１７の実施形態の変形例の概略図である。
【図１９】作動流体が内燃機関へと入る前にアフタークーラーを通って循環する、図１８の実施形態の変形例の概略図である。
【図２０】内燃機関は自然吸気（無過給）型であり、現在のエンジンに後付けできるようエンジン冷却液が内燃機関熱交換器とラジエータとを通って循環する、図１８の実施形態の変形例の概略図である。
【図２１】現在のエンジンに後付けできるよう、ラジエータが冷却液回路から取り外され、第２熱交換器で間接的に置き換えられた、図２０の実施形態の変形例の概略図である。
【図２２】現在のエンジンに後付けできるよう、作動流体が、内燃機関を通って循環するのではなく、内燃機関熱交換器内のエンジン冷却液と熱交換する、図１８の実施形態の変形例の概略図である。
【図２３】作動流体が、タービンと第２熱交換器との間に配置された復熱熱交換器において熱を吸収し、冷却液回路を介して熱を大気へと逃がす、図２２の実施形態の変形例の概略図である。これにより、現在のエンジンに後付けすることができる。
【図２４】現在のエンジンに後付けすることができる、図２３の実施形態の変形例の概略図である。
【図２５】内燃機関が、貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置を介してシステムに接続された無過給型エンジンである、図２３の実施形態の変形例の概略図である。これにより、現在のエンジンに後付けすることができる。
【図２６】強制的に導入された空気が周辺温度より低く冷却されて第１コンプレッサから得された熱を逃がし、中間冷却器内のガスの気化を制御するとともに作動流体の蒸発潜熱を用いて急速に冷却するための電子膨張弁をシステムが有する、図１７の実施形態の変形例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、内燃機関１０の排気管から排出される排気ガスにおける廃熱から有用な仕事および電力を生成するための内燃機関熱エネルギ回収システム１の第１実施形態の概略図を示す。システム１は、排気ガスがシステム１に入ってくる第１の「高温側（ホット）」熱交換器２０を有する。内燃機関１０は、エンジン排気管から高温側熱交換器２０の入口１６へと延設される排気導管１５を有する。熱交換器２０は、排気導管１５と熱的に接続されかつ流体接続され排気ガスが流れるインナーチューブにアウタチューブが螺旋状の経路で巻き付いているチューブ・イン・チューブ熱交換器である。アウタチューブには、熱交換器２０を通るシステム１の作動流体が流れる。作動流体は、高温高圧（典型的には２０バールを越える）状態にある超臨界二酸化炭素である。インナーチューブにおける排気ガスの廃熱は、高温側熱交換器２０のアウタチューブにおける超臨界流体へと熱伝達される。その後、インナーチューブにおいて冷却された排気ガスは、熱交換器排気導管１３を介して大気へと排出される。
【００５０】
図１に示す通り、システム１はまた、タービン３０と、第２の「低温側（コールド）」熱交換器４０と、コンプレッサ５０と、発電機６０と、電池６５と、モータ７０と、を有する。作動流体移送導管２５は、高温側熱交換器２０とタービン３０の吸込口３１との間に延設されて、熱交換器２０から出て来る加熱された超臨界作動流体をタービン入口３１へと高温高圧状態で伝達する。超臨界作動流体は、タービンブレード（図示せず）に衝突して高速で回転させ、タービンにおいて膨張し、そしてタービンの出口３３と低温側熱交換器４０の入口４１との間に延設される移送導管３２へとタービンから出て行く。膨張した超臨界作動流体は、より低い圧力・温度で（典型的には７ＭＰａ、摂氏４００度で）タービンから出て行く。冷気の供給源３９が、低温側熱交換器４０の入口３８と熱的に接続されるようかつ流体接続されるよう配置される。図においては概略的にのみ示している熱交換器４０は、入口３８と熱的に接続されるようかつ流体接続されるよう構成され熱交換器４０を通って冷気が流れるインナーチューブにアウタチューブが螺旋状の経路で巻き付いているチューブ・イン・チューブ熱交換器である。アウタチューブには、熱交換器４０を通るシステム１の超臨界作動流体が流れる。超臨界作動流体が熱交換器４０を通って流れると、熱エネルギがインナーチューブ内の冷気へと伝達される。さらなる移送導管４５が、低温側熱交換器４０の出口４２とコンプレッサ５０の吸込口５２との間に延設される。低い(cool)温度、低い圧力の超臨界作動流体が移送導管４５を通過して、高圧（例えば２０ＭＰａ）中間温度（例えば摂氏２５０度）に圧縮されるコンプレッサ吸込口５２へと入る。その後、超臨界作動流体は、コンプレッサ５４の出口と「高温側」熱交換器２０のアウタチューブ入口２２との間に延設された移送導管５５へとコンプレッサ５０から出て行き、これにより、超臨界作動流体ループが完了する。
【００５１】
タービン３０は出力軸３５を有する。発電機６０は出力軸３５に装着されて、軸の回転を電力に変換する。発電機６０は電池６５と電気的に接続され、これにより、発電機６０によって発生された電気は電池６５に貯蔵される。電池６５は、典型的には４ＭＪの電力まで貯蔵することができる。
【００５２】
図１の実施形態において、電池６５はモータ７０と電気的に接続される。モータ７０は、コンプレッサ５０の入力軸５１との機能的に関係して配置される。電池６５に貯蔵された電力は、コンプレッサ５０の入力軸５１を駆動するモータ７０に動力を供給するために用いられ、これにより、超臨界作動流体を、移送導管５５そして高温側熱交換器２０へと入る前に、高圧（例えば２０ＭＰａ）、中間温度（例えば摂氏２５０度）に圧縮する。
【００５３】
上記のシステムは、本発明の最も簡単な実施形態であり、エンジン排気おいて浪費される熱エネルギを回収し超臨界作動流体をタービンに入る前に高温高圧に加熱するよう機能することができる。これにより、タービンによって生成される軸動力の量を、そのサイズおよび重量に対して増加させることができる。あるいは、タービンを、必要な量の軸動力を生成するために作動流体をより低い温度・圧力で機能させるサイクルの場合と同じくらい大きくする必要がない。
【００５４】
図２は、内燃機関１０からの熱エネルギ源がエンジン排気ではなくエンジン冷却液である図１のシステム１の変形例を示す。エンジン冷却液はエンジンにおいて暖められ、そこから冷却液導管１８へと分流される。冷却液導管１８は、高温側熱交換器２０の入口１１６と熱的に接続されかつ流体接続され、その結果、熱交換器２０のインナーチューブと熱的に接続されかつ流体接続される。エンジン冷却液が熱交換器２０のインナーチューブを通過し、熱をアウタチューブ内の超臨界作動流体に伝達すると、エンジン冷却液再循環導管２４を介して内燃機関１０の水冷却液吸込口へと戻って再循環する。
【００５５】
図３は、内燃機関１０からの熱エネルギ源が熱いエンジンオイルである図１のシステム１のさらなる変形例を示す。熱いエンジンオイルは、内燃機関１０のオイルサンプ（油溜め）（図示せず）からオイル導管１９へと分流される。オイル導管１９が、熱交換器２０の入口２１６と熱的に接続されかつ流体接続される。エンジンオイル液が熱交換器２０のインナーチューブを通過し、熱をアウタチューブ内の超臨界作動流体に伝達すると、冷却されたエンジンオイルがエンジンオイル再循環導管２３を介して内燃機関１０のオイル冷却液吸込口に戻るよう供給される。
【００５６】
図４の実施形態において、熱エネルギは、内燃機関１０の排気ガスと暖かいエンジン冷却液との両方から回収される。ここで、高温側熱交換器は、直列に配置された第１排ガス熱交換器２０Ａおよびエンジン冷却液熱交換器２０Ｂから構成される。排気ガスは、排気ガス導管１５を介して排ガス熱交換器２０Ａの入口１６Ａに供給される。その入口１６Ａから、排気ガスは熱交換器２０Ａのインナーチューブおよび排気導管１３を通過して大気に放出される。エンジン冷却液は、エンジン冷却液導管１８を介してエンジン冷却液熱交換器２０Ｂの入口１６Ｂに供給される。その入口１６Ｂから、エンジン冷却液は熱交換器２０Ｂのインナーチューブを通過して、そしてエンジン冷却液再循環導管２４を通過して、エンジン１０へと戻る。超臨界作動流体は、熱交換器２０Ｂを通って、その後熱交換器２０Ａを通って流れ、そこで、２つの熱源のそれぞれから伝達された熱によって加熱される。
【００５７】
図５において、熱エネルギは、内燃機関１０の排気ガスとエンジン冷却液とエンジンオイルとから回収される。高温側熱交換器は、排ガス熱交換器２０Ａおよびエンジン冷却液熱交換器２０Ｂと直列に配置されるさらなるエンジンオイル熱交換器２０Ｃを有する。エンジンオイルは、エンジンオイルサンプ（図示せず）からエンジンオイル導管１９に、そしてエンジンオイル熱交換器２０Ｃの入口１６Ｃに供給される。熱交換器のインナーチューブを通過すると、エンジンオイルはエンジンオイル再循環導管２３を通ってエンジン１０へと戻り再循環する。超臨界作動流体は、熱交換器２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ａを連続して通って流れ、そこで、それぞれの熱源から伝達された熱によって順に加熱される。図６に示すシステムは、図４に示したシステム１の変形例である。違いは、コンプレッサ５０がベルト伝動などの伝動機構を介した内燃機関１０の出力軸５６を介して駆動されることにある。複数の源からの熱エネルギの回収により、作動流体の温度および圧力がさらに一層増加し、軸動力を生成するタービンの効率が増加する。
【００５８】
図７は、コンプレッサ５０がタービン３０の出力軸３５の回転を介して直接駆動される、図４のシステムのさらなる変形例を示す。これにより、コンプレッサ５０を駆動する追加的なモータの必要性がなくなり、システムの複雑性を低減できる。
【００５９】
図８は、タービン３０の出力軸３５に配置される貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置８０を有する、図４のシステム１のさらなる変形例を示す。貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置８０（以下デジタル制御モータ装置という）は、システムの要求に応じて電力を機械的軸動力にかつ／または軸動力を電力に変換するよう構成されている。図８の実施形態において、デジタル制御モータ装置８０は、タービン出力軸３５から軸動力を受け、回収システム１における他の場所で使用するために電池６５に貯蔵される電力を生成するよう、かつ／またはコンプレッサ５０の駆動軸８９などのさらなる駆動軸に動力を供給するよう、配置される。デジタル制御モータ装置８０の一例を図９に示す。デジタル制御モータ装置８０は、フライホイール８５と、フライホイール８５と磁気的に接続されるよう配置される電磁誘導ロータ８８と、備える。フライホイール８５と電磁誘導ロータ８８とは、タービン出力軸３５に装着されて、出力軸３５によって定義される軸回りに回転する。フライホイール８５と電磁誘導ロータ８８とは、デジタル・ギヤーボックス・モータ８０を安定した装着部に固定するよう用いることができる静止筐体１１０に収容される。電磁誘導ロータ８８は、一体に回転するようタービン出力軸３５に接続される。電磁誘導ロータ８８は、フライホイール８５に接続された一セットの永久磁石１１５を介してフライホイール８５と磁気的に接続される。電磁誘導ロータ８８の回転により、永久磁石１１５において磁束を生成し、フライホイール８５を回転させる。フライホイール８５の加速により、フライホイールがチャージされて（充填されて）、これにより、内部に運動エネルギを貯蔵して、こうして、デジタル制御モータ装置８０の貯蔵という機能が得られる。デジタル制御モータ装置８０は、プログラマブルロジックコントローラとすることができるデジタルパワーコントローラ８７によって制御される。運動エネルギは、電池６５への電力として放出可能である。あるいは、システムにおける他の場所で用いるようデジタルパワーコントローラ８７へと供給することもできる。フライホイール８５および電磁誘導ロータ８８の回転速度は、デジタルパワーコントローラ８７によって制御することができ、種々の速度で回転するよう調整することができる。電磁誘導ロータ８８は、少なくとも１つのデジタルパワーコントローラ８７を介してコンプレッサ５０の出力軸８９に電力を伝達するように構成される。したがって、本実施形態において、タービン３０およびコンプレッサ５０は、それぞれの動作の最適化を可能にするよう、種々の回転軸速度で動作することができる。デジタル制御モータ装置８０を熱エネルギ回収システム１に機械的にまたは電子的に接続することができるので、システム１のいろいろな場所に配置することができ、使用の柔軟性を与えることができる。
【００６０】
システム１のさらなる変形例を図１０に示す。システム１は、冷気の供給源９１と流体接続されるよう配置される入口９２を有する第２コンプレッサ９０を有する。冷気は、コンプレッサ９０において高圧高温に圧縮され、内燃機関１０の空気吸込口１１へと延設される移送導管９３へと出て行く。システム１は、移送導管９３において空気圧縮機（コンプレッサ）９０の下流に配置される中間冷却器９５を有する。中間冷却器９５は、コンプレッサ９０から出て来る暖められた圧縮空気と熱的に接続されかつ流体接続され、これにより、空気吸込口１１に入る前に、暖められた圧縮空気は中間冷却器９５を通過して冷却された圧縮空気を空気吸込口に供給し、これにより、内燃機関１０の効率が増加する。
【００６１】
図１０において、低温側熱交換器４０の出口４２から延設される作動流体移送導管４５は、第１導管部分４５Ａと第２導管部分４５Ｂとに分割される。第１導管部分４５Ａは、図４の実施形態におけるものと同様なコンプレッサ５０の吸込口５２へと延設される。第２導管部分４５Ｂは、低温側熱交換器４０の出口４２から中間冷却器９５を介して延設され、そして、低温側熱交換器４０から出て来る低温超臨界流体は、コンプレッサ入口５２の上流の導管４５の第１部分４５Ａと再合流する前に中間冷却器９５を通過する。こうして、導管部分４５Ｂにおける超臨界流体は、コンプレッサ入口５２の上流の導管部分４５Ａにおける超臨界流体の他の残りの部分と再合流する前に、中間冷却器９５において暖かい圧縮空気から熱を受け取る。
【００６２】
図１１に示される他の実施形態において、第２中間冷却器１００は、閉ループ水路１０２において中間冷却器９５と直列に配置される。第２中間冷却器１００は、導管部分４５Ｂにおいて第１中間冷却器９５の上流に配置される。こうして、超臨界作動流体はこの実施形態においては中間冷却器９５を通過せず、空気圧縮機９０から出て来る暖められた圧縮空気の冷却は水ループ導管１０２内の水によって行われる。この実施形態は、ターボ中間冷却器を置き換えることなく、システム１を既存の乗り物に後付けすることができる。
【００６３】
図１０および図１１のシステムのそれぞれにおいて、空気圧縮機９０は、コンプレッサ５０と同じ駆動軸に配置されて一体に回転する。こうして、タービン３０によって、超臨界流体コンプレッサ５０および空気圧縮機９０にそれぞれ動力が直接供給される。両方のコンプレッサをタービンと同じ軸で駆動することによって、別の電気モータを用いて一方または両方のコンプレッサ５０，９０を駆動する必要性がなくなる。
【００６４】
図１２のシステム１は、電池６５と電気的に接続されて配置されるモータ９６を有する。モータ９６は電池６５から電力を取り出し、空気圧縮機９０の入力軸８９を駆動するための軸動力に変換する。したがって、空気圧縮機９０と超臨界流体コンプレッサ５０とは、互いに異なる回転速度で駆動することができる。この実施形態において、中間冷却器９５の作動流体は、図１０に示したシステムにおけるものと同様に超臨界流体である。電池６５に貯蔵された電力の一部もまた、内燃機関１０が配置される乗り物の駆動軸を直接駆動するためのモータ発電機１１０に電力を供給するように、用いられる。このように、システムを、ハイブリッド・エンジン型の乗り物例えば自動車における動力供給を補助するように用いることができる。
【００６５】
図１３に示すシステム１は、システムが図８のシステムに示したものと同様な第１デジタル制御モータ装置８０を有することを除いて、図１２に示したシステムと同じである。デジタル制御モータ装置８０によって生成された電力は、電池６５に貯蔵することができ、空気圧縮機９０に動力を供給することができる。あるいは、または追加的に、デジタル制御モータ装置８０は、モータ発電機１１０と電気的に接続するよう配置され、乗り物の駆動軸１１５に推進力を与えるようモータ発電機１１０に直接的に動力を供給する。
【００６６】
システム１の好ましい実施形態を図１４に示す。システム１は、乗り物駆動軸１１５を駆動するためのモータ発電機１１０の代わりに第２貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置１２０を図１３に追加したものと同一である。この場合、第２デジタル制御モータ装置１２０は、電池６５および／または第１デジタル制御モータ装置８０に貯蔵された電力を利用し、乗り物駆動軸１１５を駆動する軸動力に変換するよう構成される。デジタル制御モータ装置１２０の使用により、駆動軸１１５の回転速度をより正確に制御することができる。この実施形態の利点は、タービン３０を最大効率に対応するその最適速度で動作させるとともに、コンプレッサ５０をそれとは異なる速度でそしてまた最大効率に対応するその最適速度で動作させることができる点にある。
【００６７】
移送導管４５において冷却された超臨界流体の一部を、作動流体として水を有するさらなる熱交換器１４０を通るよう分流することができる。熱交換器１４０において超臨界流体によって冷却された水は、操縦者（ドライバ）を冷やす装置（図示せず）に供給される。そのような装置は、ドライバのレース用オーバーオールまたはドライバに冷却された水を供給する他の適切な手段に装着された水循環チューブを有することができる。この実施形態は特に、ドライバが高温環境において操作するフォーミュラ１自動車などのモータレース用乗り物における使用に適している。電池６５に貯蔵された電気的または機械的動力を、自動車の空調システムのコンプレッサを動作するために用いることができる。ある実施形態において、超臨界作動流体は水とすることもできる。超臨界流体は、作動流体回路の一つ以上のステージにおいて、例えばタービン３０においてまたは低温側熱交換器４０において、臨界未満となってもよい。このために、図１６に示す実施形態において、第１コンプレッサ５０は、低温側熱交換器４０の下流側の作動流体の圧力を増加させるためのヒートポンプ５０ａと置き換えられる。
【００６８】
図１７に示すシステムは、図１０のシステムの変形例である。ここでは、冷却液導管１８において内燃機関１０から出て来るエンジン冷却液は、作動流体の加熱に用いられる熱交換器２０Ａを通過しない。エンジン冷却液は、その代りに、ラジエータ２２などの中間冷却器を通過して、その後、ポンプ２２ａによって内燃機関１０の冷却液吸込口２３へと戻るよう送出される。タービン３０の出力軸に配置されたモータ発電機６０は、第１コンプレッサ５０と空気圧縮機９０とを駆動するための、または電池６５に電力を貯蔵するためのデジタル制御モータ装置８０と置き換えられる。第２デジタル制御モータ装置１２０は、第１デジタル制御モータ装置８０と電池６５と電気的に接続されるよう配置される。デジタル制御モータ装置１２０は、電池６５および／または第１デジタル制御モータ装置８０に貯蔵された電力を利用し、乗り物駆動軸１１５を駆動する軸動力に変換するよう構成される。このシステムの、図１０に示されるシステムに対する利点は、システムに必要な部品の数を少なくでき、（第２デジタル制御モータ装置１２０の）駆動力を増強するための第１デジタル制御モータ装置８０へのまたはからの動力伝達を最大限にできる、または第２コンプレッサ９０を介して内燃機関１０のパワーを増強する、または動力をまた電池６５における蓄電から取り出す場合には、その両方を達成できる可能性があることにある。
【００６９】
図１８のシステムは、内燃機関１０が作動流体回路において利用される、図１７のシステムの変形例である。第１コンプレッサ５０から出て行く際、作動流体は、比較的低い温度（約６０℃）であり高圧（約２００バール）である。その後、エンジン導管１０ａを通過するときに作動流体を加熱するようエンジンの少なくとも１つの燃焼シリンダ（図示せず）とまたは大量の熱いエンジンオイル（図示せず）と熱的に接続されるようエンジン内に配置されるエンジン導管１０ａを介して内燃機関１０を、作動流体が通過する。エンジン導管１０ａの出口における作動流体温度は約１１０℃である。図１８のシステムはさらに、復熱器２６と、エンジン導管１０ａと復熱器２６との間に延設される作動流体移送導管２４と、を有する。復熱器２６は、リキッド・トゥー・リキッド・チューブ・イン・チューブ熱交換器(liquid to liquid tube in tube heat exchanger)である。エンジン導管１０ａから出て来た暖められた作動流体は、移送導管２４を通って復熱器２６のアウタチューブの入口２７へと通り、そこで、約２６０℃に加熱される。その後、作動流体は第１熱交換器２０を通過して、そこで、排気導管１５からの熱いエンジン排気から伝達される熱エネルギを受け取る。第１熱交換器２０から出て来るとき、作動流体は約４５０℃の温度である。作動流体は移送導管２５を通過してタービン３０に入り、そこで、膨張してより低い圧力、温度となるが、その温度は、図１７の実施形態と比較して高いままであり、約３３０℃である。高温作動流体は、移送導管３２を通って戻り、そして復熱器２６のインナーチューブ３３を通って循環し、そこで、エンジン導管１０ａから出て来る作動流体に熱を伝達する。復熱器２６から、作動流体は、移送導管３２を通って第２の、低温側、熱交換器４０へと流れ、そしてそこから、図１０および図１７の実施形態におけるものと同様に移送導管４５を通って第１コンプレッサ５０へと流れる。
【００７０】
この実施形態のシステム１の利点は、図１７の実施形態より重量が小さく、複雑性が緩和されることにある。さらに、エンジンが熱い場合に作動流体が過剰な熱を直接吸収し、そして復熱器は熱交換器２０と同程度には大量の仕事を行わない。こうして、タービン３０に入るとき、作動流体はかなり高温度になり、システムの出力パワーが増加する。
【００７１】
図１９は、第１コンプレッサ５０から出て来ると、作動流体は第３熱交換器すなわちアフタークーラー５５を通過し、これにより、作動流体の温度を約３０℃に下げる、図１８のシステムの変形例を示す。システム１は、中間冷却器９５の代わりに空気中間冷却器９５ａを有する。作動流体は中間冷却器９５ａを通過し、内燃機関１０のエンジン導管１０ａに入る前にそこを通過する暖かい圧縮空気から熱を吸収する。空気中間冷却器９５ａは、図１８の実施形態の従来の中間冷却器９５よりもより有効な熱交換流体として作動流体を使用し、システムの全重量および複雑性を低減する。また、作動流体によってより安定的に熱を回収でき、これにより、低いエンジンＲＰＭでもより多くの動力を生成し、システム１が利用される乗り物のより速い加速を可能にする。
【００７２】
システム１は、新たな乗り物に装着するよう構成される、あるいはまた、既存の乗り物に後付けすることもできる。
【００７３】
図２０〜図２６は、既存の乗り物にシステムを後付けできるシステムの種々の実施形態を示す。
【００７４】
図２０は、無過給機関用の熱エネルギ回収システムの後付け（レトロフィット）構成を示す。空気圧縮機９０がシステムからなくしており、内燃機関１０は無過給式である。したがって、システムは、図８の実施形態のシステムと同様であり、乗り物クランク軸１１５を直接駆動するための第１デジタル制御モータ装置８０からまたは電池６５から電力を取り出すために配置されるデジタル制御モータ装置１２０が追加されている。図２０のシステムは閉ループ・エンジン冷却液回路７３を有する。回路７３は、システム１における作動流体の冷却負荷の一部を提供するために内燃機関１０のラジエータ１７を利用する。システム１はまた、高温側（ホット・サイド）７５ａと低温側（コールド・サイド）７５ｂとを有するさらなる熱交換器７５を有する。高温側７５ａは、エンジン冷却液回路７３の始めの部分において、エンジン冷却液導管１８と流体接続されるよう配置される。エンジン冷却液導管１８を通ってエンジン１０から出て来るエンジン冷却液は、熱交換器７５の高温側７５ａを通過し、その後、ポンプ７７によってラジエータ１７を通って送出され、そこで、ラジエータ１７を通って流れる冷気の流れ（フロー）１７ａによって冷却される。そして、冷却されたエンジン冷却液は、第２熱交換器４０の低温側４０ｂを通過し、そこで、その高温側４０ａを通過した作動流体から熱が吸収される。したがって、エンジン冷却液は、第２熱交換器４０を通過するとき、作動流体を冷却するために用いられる。その後、暖められた冷却液は、エンジン１０の水冷却液吸込口７３へと戻るよう通過して、回路が完成している。この構成の利点は、既存の乗り物部品を利用すること、したがって、他のいくつかの実施形態と比較してコストを最小限できることにある。
【００７５】
図２１のシステムは、図２０のシステムと同様な構成である。しかしながら、この実施形態においては、ラジエータ１７はエンジン冷却液回路７３において利用されない。作動流体の冷却は、冷気供給４０ｃを用いて第２熱交換器４０によってすべて行われる。追加的な熱交換器７５から出た後、エンジン冷却液は内燃機関１０へと戻るようポンプ７７によって直接送出される。この実施形態において用いられる第２熱交換器４０は、システム１が取り付けられる乗り物のラジエータ１７よりも、より効率的で、より軽量で、サイズがより小さく、そして強力であり、その結果、より軽量なシステム重量で性能が向上することが想定される。
【００７６】
図２２に示すシステムは、図１８に示したシステムと同様である。しかしながら、内燃機関１０内には、作動流体が通るエンジン導管１０ａがない。代わりに、システム１は、図２０および図２１のシステムの追加的な熱交換器７５およびポンプ７７を有する。作動流体は、追加的な熱交換器７５の低温側７５ｂを通過し、そして、直接復熱器２６を通ってその後第１熱交換器２０を通るよう、エンジン１０を迂回する。暖かいエンジン冷却液は、追加的な熱交換器７５の高温側７５ａを通って循環し、そこで、エンジン１０に戻るようポンプ７７によって送出される前に熱を作動流体に伝達する。この実施形態の利点は、エンジン導管１０ａ内に作動流体を収容するよう内燃機関１０を設計変更する必要がなく、エンジン冷却液を用いて通常通り動作することができることにある。追加的な熱交換器７５は、エンジン冷却液から廃熱を回収し、作動流体に伝達する。したがって、システム１は、他のいくつかの実施形態と比較して、簡単でありコストを下げることができる。
【００７７】
図２３および図２４に示すシステムにおいては、熱エネルギ回収システム１の主要部品が、単一ユニット１３０に収容されており、第１熱交換器２０とタービン３０と復熱器２５と第２熱交換器４０と第１コンプレッサ５０とから構成されている。ユニット１３０は、好ましい実施形態において、金属の単一のビレットから機械加工され、２００バールにも達しうるシステム内の高圧に適切に耐えるように構成される。
【００７８】
システム装置１３０の外部に、第１冷却液回路１３５ａと第２冷却液回路１３５ｂとにより、第１熱交換器２０と第２熱交換器４０とのそれぞれに熱伝達媒体が提供される。第１冷却液回路１３５ａは、中間排気熱交換器１４０（第１熱交換器２０とは別の）と、「高温側」ラジエータ１４５と、ポンプ７７と、を有する。第１冷却液回路１３５ａにおいて、エンジン冷却液はエンジン１０において暖められ、そこから冷却液導管１８へと分流される。冷却液導管１８は、排気熱交換器１４０の入口１４１と熱的に接続されかつ流体接続され、その結果、熱交換器１４０のインナーチューブと熱的に接続されかつ流体接続される。内燃機関１０の排気導管１５は、エンジン排気管から排気熱交換器１４０の入口１４２へと延設され、その結果、熱交換器１４０のアウタチューブと熱的に接続されかつ流体接続される。熱交換器１４０のアウタチューブは、エンジン排気導管１５からの熱い排気フローを受ける。そして、熱い排気フローは、排気熱交換器１４０から大気へと出て行く。エンジン冷却液は、熱交換器１４０のインナーチューブを通過し、アウタチューブ内の高温排気フローから熱を吸収する。４６０℃と同程度の高い温度で、冷却液はその後第１熱交換器２０の高温側を通過して、熱エネルギを熱交換器２０の低温側を通過する作動流体に供給する。そして、冷却された冷却液は、ポンプ７７によって内燃機関１０の冷却液吸込口２３へと戻るよう送出される前に、ラジエータ１４５を通過し、そこで、さらに冷える。
【００７９】
第２冷却液回路１３５ｂは、「低温側（コールド）」ラジエータ１５５と「低温側」ポンプ１７７とから構成される。水などの適当な冷却液が、冷気流１５５ａによって冷却されるラジエータ１５５を通るようポンプ１７７によって送出される。冷却された冷却液は、再びラジエータ１５５を通り抜けて回路が完成する前に、第２熱交換器４０の低温側を通過して、高温側を通過する作動流体の冷却を行う。ラジエータ１５５において冷却液から熱エネルギを吸収した気流１５５ａは大気へと排出される。
【００８０】
ユニット１３０は、超臨界作動流体を加熱するよう第１熱交換器２０の高温側を通るよう熱い冷却液を供給することにより、そして、タービン３０に動力を供給するよう第２熱交換器４０の低温側に冷えた冷却液を供給することにより、動作を開始する。システムはまた、内燃機関１０への圧縮空気の供給のために空気圧縮機９０およびエア・トゥー・エア中間冷却器(air to air intercooler)９５ａと、図１８、図２０、図２１および図２２の実施形態におけるものと同様な第１デジタル制御モータ装置８０および第２デジタル制御モータ装置１２０と、を有する。この実施形態の利点は、ユニット１３０は、ユニット１３０を使用する乗り物内のあらゆる適当な場所に配置できることにある。第１デジタル制御モータ装置８０をユニットとは別に配置することができるからである。ユニット１３０は大量生産することができ、したがって、ユニットを十分な規模で製造する場合、コストを下げることができる。
【００８１】
第１の高温側熱交換器２０における作動流体の最も熱い温度と第２の低温側熱交換器４０における作動流体の最も冷えた温度とを制御することにより、熱エネルギ回収システムユニット１３０の効率を制御することができる。これは、したがって、第１の高温側熱交換器２０の高温側を通過しそして第２の高温側熱交換器４０の低温側を通過して熱エネルギを作動流体に供給することになる冷却液の温度によって制御することができる。この構成は、ディーゼル発電機などの一定回転速度での用途に対して速度制御の簡単化という利点があり、また、フォーミュラ１レーシングカーにおいてＭＧＵ−Ｈシステムとして用いられる場合には追加的な動力制御機能として機能する。
【００８２】
図２４の実施形態は、エア・トゥー・エア中間冷却器９５を、その冷却器９５よりもより小さくより軽量であるリキッド・トゥー・エア中間冷却器(liquid to air intercooler)１９５と置き換えた図２３の実施形態の変形例である。ここでは、第２冷却液回路１３５ｂは、冷却液フロー経路において低温側ラジエータ１５５と第２熱交換器４０との間にバイパスバルブ１６０を有する。冷却液回路１３５ｂは、内燃機関１０の空気吸込口に入る前にコンプレッサ９０から出て来る圧縮空気を冷却するために使用する冷却液回路１３５ｂにおける冷却液の一部を中間冷却器１９５に向かわせそして通るよう流れさせる分流（ブランチ）導管１５６に、ラジエータ１５５の下流側で、分かれる。中間冷却器１９５における冷却液または水の使用は、中間冷却器９５における空気の使用よりも、圧縮空気の冷却に関してより効率的である。低温側ポンプ１７７はスピードコントローラ１７７ａを有する。中間冷却器１９５および第２熱交換器４０に提供される冷却液の量を制御し、いずれか１方へより多くの冷却液を強制的に送ることができるよう、低温側ポンプ１７７のスピードコントローラ１７７ａおよびバイパスバルブ１６０の開閉を、図２４に概略的に示す通り制御器１８０において電子的にまたは無線で制御することができる。この実施形態は、より小さい中間冷却器１９５を用いることで図２３のシステムよりも重量を小さくでき、図２３のシステムよりも優れた性能および制御を提供できる利点がある。高温側ポンプ１７７はこの実施形態においては内燃機関１０によって駆動される。このことと中間冷却器１９５の使用との両方により、この実施形態を既存の内燃機関へとより容易に後付けすることができる。
【００８３】
図２５は、図２３のシステムのさらなる変形例を示している。この実施形態において、空気圧縮機９０および中間冷却器９５は備えられておらず、内燃機関１０は無過給式である。内燃機関１０は第１デジタル制御モータ装置８０によって熱エネルギ回収システム１に接続されており、システム１は内燃機関１０に動力を直接供給することができる。減速が必要とされる場合、デジタル制御モータ装置８０はさらにギヤーボックスとしても動作する。あるいは、内燃機関１０と同じ速度で直接駆動することもできる。この直接駆動実施形態は、既存の内燃機関に、特にディーゼルエンジン、水力機関および他の大きい内燃機関などの固定速度エンジンに、容易に後付けできる。内燃機関１０からの熱エネルギ回収から発生する動力は、内燃機関１０のクランク軸に生じる動力に直接加えることができる。
【００８４】
図２６に示すシステムは、作動流体回路に副冷却器（サブクーラ）１８０および電子膨張弁（ＥＥＶ）１８５を有する図１７のシステムの変形例である。第１コンプレッサ５０から出て来る作動流体は、サブクーラ１８０を通過し、そして次にＥＥＶ  １８５を通過する。ＥＥＶ  １８５は、中間冷却器９５内の気体の膨張を制御するために用いられる。液体の、気体への膨張の蒸発の潜熱は、より大きな容量で大量の熱を吸収し、中間冷却器９５を通過したターボ圧縮機９０からの圧縮空気をさらに周囲温度より低く冷却する。より冷えた圧縮空気は、内燃機関１０のシリンダ内の燃焼プロセスにおいてより大きな気体膨張が生じ、その動力供給が増加する。したがって、これにより、燃焼プロセスの効率が増加し、燃料消費量を低減できる。
【００８５】
温度および圧力の表示はすべて、典型的例示としてのみ示したに過ぎず、本発明の目的に関して限定するものではないことは理解されよう。
【００８６】
本発明を具体例を参照して説明したが、本発明を他の多くの態様で実施できることは当業者には理解されよう。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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