JP2014530314A - 改良されたｏｒｃ熱エンジン - Google Patents

Abstract

ＯＲＣ熱エンジンにおいて、作動流体回路であって、作動流体を加熱し、蒸発させる蒸発器と、作動流体を冷却し、凝縮させる凝縮器と、蒸発器と流体連通する入口と凝縮器と流体連通する出口とを有する容積式膨張機−発電機と、を備えている作動流体回路を備えており、容積式膨張機−発電機に連結された制御システムであって、スイッチおよび駆動手段を備えており、スイッチは、第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能になっている、制御システムをさらに備えており、第１の状態では、スイッチは、駆動手段に連結されるようになっており、容積式膨張機−発電機は、駆動手段によって駆動可能になっており、第２の状態では、スイッチは、駆動手段に連結されていないかまたは駆動手段が遮断されており、容積式膨張機−発電機は、駆動手段によって駆動されないようになっている、ことを特徴とするＯＲＣ熱エンジン。

Description

本発明は、ＯＲＣ熱エンジンに関し、さらに詳細には、ＯＲＣ熱エンジンを制御するための制御システムを有する改良されたＯＲＣ熱エンジンに関する。

有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）モジュールに基づく熱電併給（ＣＨＰ）機器のような熱エンジンが知られている。この種の熱エンジンは、単一ユニット内において永久磁石発電機のような発電機に接続されたスクロール膨張機のような容積式装置を用いている。このようなＣＨＰ機器は、集中暖房および集中給湯のための熱を供給するために、従来のガスボイラーに代わって、副生成物として生じる電気を用いるものである。

単純な周知のＯＲＣ熱エンジン１０の例が、図１Ａに概略的に示されている。ＯＲＣは、作動流体回路１２を有している。作動流体回路１２は、作動流体回路１２を循環する作動流体を加熱するための熱源として作用する蒸発器１４、容積式膨張機−発電機１６、作動流体を冷却するためのヒートシンクとして作用する凝縮器熱交換器１８、およびポンプ２０を備えている。蒸発器熱交換器１４、膨張機−発電機１６、凝縮器１８、およびポンプ２０の各々は、作動流体回路１２において直列に流体接続されている。膨張機−発電機１６は、蒸発器１４に流体が連通する入口と、凝縮器１６に流体が連通する出口を有している。ポンプ２０は、凝縮器１８に対して膨張機−発電機１６の反対側において凝縮器１８と蒸発器１４との間に位置するように、作動流体回路１２に配置されている。

定常運転では、作動流体は、蒸発器１４において高圧（圧力Ｐ１）および高温Ｔ１で蒸発するようになっている。蒸発器１４は、熱Ｑ_ｉｎの入力を受け、仕事Ｗ_ｉｎを行い、作動流体の温度を温度Ｔ１に上昇させる。次いで、蒸発したガス相の流体は、膨張機−発電機１６を通って膨張し、電気エネルギーＷ_ｅを生成する。低圧Ｐ２および低温Ｔ２のガスが、膨張機−発電機１６を出て、凝縮器１８において凝縮され、液相に戻ることになる。凝縮器１８では、凝縮の潜熱が、冷却回路（図示せず）に与えられる。凝縮器１８は、エネルギーＷ_ｏｕｔおよび熱Ｑ_ｏｕｔを作動流体から除去するために、冷媒を受けるようになっている。次いで、低温Ｔ２’および低圧Ｐ２の液相の作動流体は、ポンプ２０によって高圧Ｐ１で蒸発器に再び送り込まれ、これによって、サイクルが完結することになる。

図１ＡのＯＲＣ熱エンジン１０の始動時に、加熱の熱量Ｑ_ｉｎおよび冷却の熱量Ｑ_ｏｕｔが、それぞれ、蒸発器１４および凝縮器１８に供給され、ポンプ２０が作動され、高圧Ｐ１の作動流体の流れが蒸発器１４に供給されるようになっている。最初、膨張機−発電機１６が回転していないので、作動流体の流れが作動流体回路１２を循環しない。膨張機−発電機１６は、ポンプ２０が駆動を始めても、発電機部品の質量を伴うシール摩擦および軸受摩擦によって、回転し始めない。加えて、負圧の差が、膨張機−発電機の前後に生じ始める。何故なら、膨張機が、静止しているときに低圧作動流体と平衡を保っていたガス溜まりを膨張させようとするからである。

この初期の「静止摩擦力」を上回るために、回転を開始するための大きな初期吸込圧力が必要である。この初期の高開始圧は、ポンプ２０によって供給されることになる。しかし、膨張機−発電機１６が最初回転していないために、極めてわずかの作動流体しかポンプ２０内を流れない。この状況は、ポンプ２０の寿命および性能に有害である。何故なら、ポンプ２０が過熱され、かつポンプ内の潤滑が低下する可能性があるからである。

始動時に生じる可能性のある他の望ましくない状況は、ポンプ２０が乾式駆動し始めることである。これは、以下の場合、すなわち、回転していない膨張機−発電機１６が作動流体回路に沿って妨害物として作用し、ポンプ２０が蒸発器１４に向かって作動流体を押し出す場合に生じる可能性がある。作動流体が十分に循環していないので、作動流体の全量が蒸発器１４内に汲み出されると、ポンプ２０が乾式駆動し、これによって、ポンプ摩耗を増大させ、その寿命を低下させることになる。

オペレータの視点から従来のガスボイラーから首尾よく取り換えるために、ＣＨＰ機器のようなＯＲＣ熱エンジンは、温度要求および熱要求の広い範囲にわたって運転することが可能であるべきであり、従来のガスボイラーシステムと同じような方法によって接続かつ遮断することが可能であるべきである。

本発明の目的は、例えば、改良された始動時間、改良された部品の寿命および性能、または高められた運転効率をもたらすことによって、先行技術のＯＲＣ熱エンジンを上回るように改良されたＯＲＣ熱エンジンを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）熱エンジンにおいて、
作動流体回路であって、
作動流体を加熱し、蒸発させる蒸発器と、
作動流体を冷却し、凝縮させる凝縮器と、
蒸発器と流体連通する入口と凝縮器と流体連通する出口とを有する容積式膨張機−発電機と、
を備えている作動流体回路
を備えており、
容積式膨張機−発電機に連結された制御システムであって、スイッチおよび駆動手段を備えており、スイッチは、第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能になっている、制御システム
をさらに備えており、
第１の状態では、スイッチは、駆動手段に連結されるようになっており、容積式膨張機−発電機は、駆動手段によって駆動可能になっており、第２の状態では、スイッチは、駆動手段に連結されていないかまたは駆動手段が遮断されており、容積式膨張機−発電機は、駆動手段によって駆動されないようになっている、
ことを特徴とするＯＲＣ熱エンジンが提供されている。

好ましくは、作動流体回路は、作動流体回路を循環する作動流体の圧力を増大させるためのポンプをさらに備えている。付加的または代替的に、制御システムは、好ましくは、ＯＲＣ熱エンジンの運転条件を検出するための検出手段をさらに備えている。

制御システムは、好ましくは、入力に応じて、スイッチを第１の状態と第２の状態との間で切り換えるための処理手段をさらに備えている。特に好ましい実施形態では、処理手段は、検出手段に連結されており、処理手段は、所定の運転条件が満たされたとき、スイッチを第１の状態と第２の状態との間で切り換えるように構成されている。

好ましくは、検出手段は、第１の検出手段および第２の検出手段を備えており、
第１の検出手段は、容積式膨張機−発電機の回転速度を検出し、スイッチが第１の状態にあるとき、膨張機−発電機の実質的に一定の回転数が維持されるように、駆動手段の出力を調整するように、構成されており、
第２の検出手段は、駆動手段の運転パラメータを検出するように構成されている。

好ましくは、駆動手段の出力が所定の閾値よりも小さいかまたは等しいとき、所定の運転条件が満たされるようになっている。

好ましい一実施形態では、容積式膨張機−発電機は、膨張機および発電機を備えており、膨張機および発電機の各々は、共通シャフト上にあり、ポンプは、共通シャフト上において膨張機−発電機に連結されている。特に好ましい実施形態では、ポンプは、膨張機と発電機との間に配置されている。

スイッチは、電気機械式スイッチを含んでおり、好ましくは、電気機械式３極切換スイッチ（３ＰＣＯ）を含んでいる。代替的実施形態では、スイッチは、好ましくは、１つまたは複数の固体素子リレー、または半導体スイッチを含んでいる。

膨張機−発電機は、好ましくは、スクロール膨張機を備えており、好ましくは、永久磁石発電機を備えている。駆動手段は、好ましくは、モータを含んでおり、スイッチは、膨張機−発電機に対してモータを接続かつ遮断するためのクラッチを備えている。好ましくは、駆動手段は、インバータを含んでいる。インバータは、好ましくは、容積式膨張機−発電機を駆動するために、直流バスから電力を取出し、３相電流を容積式膨張機−発電機に供給するように、構成されている。付加的または代替的に、インバータは、整流器として作用するように切り換え可能になっており、容積式膨張機−発電機が３相電流を生じたとき、整流器として作用し、生じた３相電流をＤＣバスに供給するための電流（ＤＣ）に変換するようになっている。この好ましい実施形態では、インバータの切換は、容積式膨張機−発電機が電流の方向が逆の電流を生成し始めたとき、自動的に行われるようになっている。

好ましくは、第１の検出手段は、インバータに供給された電流を調整することによって、インバータの出力を調整するように構成されており、第２の検出手段によって検出されるインバータの運転パラメータは、インバータに供給される電流である。

一実施形態では、インバータに供給された電流が所定の閾値、好ましくは、約０Ａよりも小さいかまたは等しいとき、所定の運転条件が満たされるようになっている。

好ましくは、本発明のＯＲＣ熱エンジンは、容積式膨張機−発電機の出口から出る作動流体と蒸発器に入る作動流体との間の熱交換を容易にするように配置された再生器熱交換器をさらに備えている。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様によるＯＲＣ熱エンジンと、電気負荷とを備える電気システムにおいて、膨張機−発電機によって生じた電力が電気負荷に供給可能になるように、電気負荷は、スイッチが第２の状態にあるとき、膨張機−発電機に電気的に連結されるように配置されている、ことを特徴とする電気システムが提供されている。

本発明の第３の態様によれば、
ＯＲＣ熱エンジンを制御するための制御システムにおいて、
インバータと、
第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能になっているスイッチと、
スイッチに連結され、ＯＲＣ熱エンジンの運転条件を検出するように構成された検出手段と、
検出手段に連結された処理手段であって、所定の運転条件が満たされたとき、スイッチを第１の状態と第２の状態との間で切り換えるように構成されている、処理手段と、
を備えており、
第１の状態では、スイッチは、インバータに電気的に連結されるようになっており、第２の状態では、スイッチは、インバータに電気的に連結されないようになっており、これによって、制御システムが容積式膨張機−発電機を備える熱エンジンに接続されたとき、容積式膨張機−発電機は、スイッチが第１の状態にある場合、インバータによって駆動可能になり、スイッチが第２の状態にある場合、インバータによって駆動されないようになっている、
ことを特徴とする制御システムが提供されている。

本発明の第４の態様によれば、
ＯＲＣ熱エンジンを制御する方法において、
（ｉ）本発明の第１の態様によるＯＲＣ熱エンジンをスイッチが第１の状態にあるように準備するステップと、
（ｉｉ）容積式膨張機−発電機を駆動させるために駆動手段を作動させ、これによって、作動流体を作動流体回路に沿って循環させるステップと、
（ｉｉｉ）膨張機−発電機が、駆動手段ではなく、循環する作動流体によって駆動され、電力を生じるように、スイッチを第１の状態から第２の状態に切り換えるステップと、
を含んでいる、ことを特徴とする方法が提供されている。

好ましい実施形態では、ＯＲＣ熱エンジンの作動流体回路は、作動流体回路を循環する作動流体の圧力を増大させるためのポンプをさらに備えており、本方法は、
（ｉｖ）ステップ（ｉｉｉ）の前に、循環する作動流体の圧力を増大させるために、ポンプを作動させるステップ
をさらに含んでいる。

さらに好ましくは、ＯＲＣ熱エンジンの容積式膨張機−発電機は、膨張機および発電機を備えており、膨張機および発電機は、各々、共通シャフト上にあり、ポンプは、共通シャフト上において膨張機−発電機に連結されており、ステップ（ｉｖ）は、ステップ（ｉｉ）と同時に行われるようになっている。ＯＲＣ熱エンジンの制御システムは、好ましくは、
熱エンジンの運転条件を検出するための検出手段と、
検出手段に連結された処理手段と、
をさらに備えている。

所定の運転条件が満たされたとき、処理手段は、ステップ（ｉｉｉ）を自動的に実行するようになっている。好ましい一実施形態では、ポンプは、膨張機と発電機との間に配置されている。ただし、これは、他の実施形態において、必ずしも必要ではない。

さらに好ましくは、検出手段は、第１の検出手段および第２の検出手段を備えており、
第１の検出手段は、容積式膨張機−発電機の回転速度を検出し、スイッチが第１の状態にあるとき、膨張機−発電機の実質的に一定の回転速度が維持されるように、駆動手段の出力を調整するようになっており、
第２の検出手段は、駆動手段の運転パラメータを検出するようになっており、
駆動手段の出力が所定の閾値よりも小さいかまたは等しいとき、所定の運転条件が満たされるようになっている

代替的実施形態では、検出手段は、好ましくは、ポンプによって生じた作動流体の揚圧力を検出し、検出された揚圧力が所定の閾値よりも大きいかまたは等しいとき、所定の運転条件が満たされるようになっている。

いずれかの実施形態において、本方法は、好ましくは、ステップ（ｉｉｉ）を実行する前に、膨張機−発電機をスイッチを介して電気負荷に接続するステップをさらに含んでおり、ステップ（ｉｉｉ）に続いて、膨張機−発電機によって生じた電力が、スイッチを介して電気負荷に供給されるようになっている。駆動手段は、好ましくは、インバータを含んでいる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態についてさらに説明する。

周知の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）熱エンジンおよび再生器熱交換器を備える同様のＯＲＣ熱エンジンを、それぞれ、概略的に示す図である。 制御システムおよび接続された負荷を備える本発明の実施形態によるＯＲＣ熱エンジンを示す図である。

図１Ａは、熱エンジンの基本的な構成要素を形成する周知の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）１０を概略的に示している。本発明の実施形態による電気システムが、図２に概略的に示されている。この電気システムは、（部分的にしか示されていない）ＯＲＣシステム１０および制御システム２２を有する熱エンジン１００と、接続された電気負荷３０とを備えている。本発明のＯＲＣシステム１０は、図１ＡのＯＲＣシステム１０と実質的に同じであり、同じ構成要素、すなわち、作動流体回路１２を備えている。作動流体回路１２は、作動流体回路１２に沿って循環する作動流体を加熱するための熱源として作用する蒸発器１４と、容積式膨張機／発電機１６と、作動流体を冷却するためのヒートシンクとして作用する凝縮器熱交換器１８と、ポンプ２０と、を備えている。

図１Ｂは、本発明の一部として用いられる修正されたＯＲＣ１０’を示している。修正されたＯＲＣ１０’は、再生器熱交換器３２を備えている。再生器熱交換器３２は、ブーストシステム性能を助長する、システム内の追加的な熱交換器である。理想的な条件下では、再生器熱交換器３２は、必要ではないが、実システムでは、多くの場合、特定点において、作動流体の熱力学的特性をＯＲＣ１０’に生じる厳密な圧力および温度に一致させることができない。例えば、実システムでは、容積式膨張機／発電機１６を出る（いったん膨張した）作動流体は、まだ過熱状態にある。逆に、理想的なシステムでは、作動流体は、わずかしか過熱していないか、または飽和蒸気であろう。再生器３２は、実システムに存在する過剰な熱の一部を取出し、その熱（Ｑ_ｅｘ）を蒸発器１４内に入る前にサイクルの反対側の作動流体に伝達するようになっている。この修正手段、すなわち、再生器３２を設けた場合、選択された作動流体と理想の作動流体との間のわずかな不釣合いを相殺することによって、システム１０’を最適な効率を有するように調整することができる。従って、再生器３２は、システム１０’の熱電比を低減させることになるが、これは、超小型熱電併給品にとって有利である。

制御システム２２は、インバータ２４、スイッチ２６、および検出手段２８を備えている。制御システム２２は、ＯＲＣ１０／１０’の容積式膨張機−発電機１６に連結されている。スイッチ２６は、第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能になっている。第１の状態では、スイッチ２６は、インバータ２４に電気的に連結され、容積式膨張機−発電機１６は、電力Ｐ_ｉｎがインバータに供給されたとき、該インバータによって駆動可能になる。第２の状態では、スイッチ２６は、インバータ２４に電気的に連結されず、容積式膨張機−発電機１６は、インバータによって駆動されない。しかし、第２の状態では、スイッチ２６は、膨張機−発電機１６によって生じた電力が電気負荷３０に供給されるように、電気負荷３０を膨張機−発電機１６に電気的に連結するようになっている。

本発明は、膨張機−発電機を選択的に駆動するための制御システムの一部としてインバータを有するものとして、説明されているが、代替的な実施形態では、膨張機−発電機を選択的に駆動するためのどのような適切な駆動手段、例えば、モータが用いられてもよく、この場合、駆動手段が膨張機−発電機を駆動することができるかどうかをスイッチが決定するようになっている。

インバータが一部のシステムにおいて整流器として用いられることも知られている。いくつかのインバータは、スイッチングトランジスタ、一般的には、ＩＧＢＴ型半導体を横切るように配置された、被駆動機の帰還を可能にする「帰還（free-wheel）」ダイオードを備えている。被駆動機が動力を生成すると、帰還ダイオードを用いて、被駆動機からのＡＣ電力を整流し、該ＡＣ電力をＤＣ電力に変換させることが知られている。前述したこのようなシステムは、ＣＨＰシステムに生じた電力を家庭内の主電源に出力するために、グリッド接続インバータに給電するＤＣレールを備えている。このようにして、インバータを用いて、スクロールを駆動することができると共に、直流に変換されて単相主電源に給電される準備が整ったなら、同一のインバータを用いて、膨張機―発電機から出力された３相交流をＤＣに整流することができる。

検出手段２８は、熱エンジン１００の１つまたは複数の運転条件を検出することができる。一実施形態では、制御システム２２は、入力に応じて、スイッチ２６を第１の状態と第２の状態との間で切り換えるための処理手段（図示せず）をさらに備えている。入力は、ユーザー入力であってもよいし、または自動入力、例えば、検出手段２８からの入力であってもよい。好ましい実施形態では、処理手段は、検出手段２８によって検出されるような所定の運転条件が満たされたとき、スイッチ２６を切り換えるように構成されている。さらに好ましい実施形態では、検出手段２８は、第１の検出手段および第２の検出段を備えている。第１の検出手段は、容積式膨張機−発電機１６の回転速度を検出し、スイッチ２６が第１の状態にあるとき、一定の回転速度が維持されるようにインバータ２４に供給される電流を調整するように、構成されている。第２の検出手段は、インバータに供給される電流を検出するように構成されている。インバータ２４に供給される電流が、第２の検出手段によって、所定の閾値（例えば、約０Ａ）よりも小さいかまたは等しいことが検出されたとき、所定の運転条件が満たされたことになり、プロセッサが、スイッチ２６を第１の状態と第２の状態との間で切り換えるようになっている。

システムの始動時に、膨張機−発電機１６は、スイッチ２６によってインバータ２４に接続されている。最初、インバータ２４は、膨張機−発電機１６の運転速度（例えば、３６００ｒｐｍ）と比べて、比較的遅く（例えば、約８００ｒｐｍ）かつ一定の回転速度で膨張機−発電機１６を駆動するようになっている。膨張機−発電機１６は、回転しているとき、作動流体回路１２において閉鎖弁として作用しないので、熱力学的作動流体が回路１２を循環することができる。始動時に、この被駆動装置によって、蒸発器１４からの熱がＯＲＣシステム１０／１０’の全体に拡がり、膨張機−発電機１６が回転していない場合またはＯＲＣシステム１０／１０’が低温予熱回路によって凝縮器１８を通して加熱される場合よりも、ＯＲＣシステム１０／１０’をより急速に加熱することができる。また、このプロセスは、その運転状態においてより低温の凝縮器１８を加熱するよりも、運転状態において高温のＯＲＣシステム１０／１０’の領域を迅速に加熱することになる。その結果として、ＯＲＣシステム１０／１０’の運転状態の条件がより速く達成されることになる。

いったんＯＲＣシステム１０／１０’が十分に加熱されたなら、またはいったん設定された過冷却度が達成されたなら、ポンプ２０を作動させ、作動流体の圧力を高め、揚圧力をもたらし、これによって、膨張機−発電機１６の入口における圧力を上昇させることが可能である。作動流体回路１２を循環する流れが殆ど存在しないとき、回転している膨張機−発電機１６が、容積式ポンプとして作用し、これによって、ポンプ２０に作動流体を効率よく送ることになる。その結果、ポンプ２０の乾式駆動を防ぎ、これによって、ポンプ摩耗を最小限に抑え、ポンプ寿命を高めることができる。

作動流体が膨張機−発電機１６を駆動し始めると、インバータ２４は、一定回転速度を維持するためにそれほど大きいトルクを送達する必要がなくなる。実質的に一定の速度を維持するために、第１の検出手段は、膨張機械―発電機１６の回転速度を検出し、もし回転速度が所望の回転速度をいくらか上回っているかまたはいくらか下回っているなら、インバータ２４に供給される電流を調整することになる。インバータ２４に供給される電流のこのフィードバック調整によって、膨張機−発電機の回転速度を所望のレベルに実質的に維持することができる。

膨張機−発電機１６がインバータ２４よりもむしろ循環する作動流体によってますます駆動され始めると、インバータ２４からの電流が低下し始める。膨張機−発電機１６が（ポンプ２０によって駆動される）作動流体によって実質的に駆動される時点において、インバータ２４に供給される電流が、ゼロまたは低レベルに低下されることになる。所定の運転条件、例えば、０Ａのような所定の閾値と等しいかまたはそれ未満に低下するインバータ電流が、このシステムに対する「臨界切換点（critical switching pint）」を決定することができ、これによって、スイッチ２６は、第１の状態から第２の状態に切り換えられることになる。スイッチ２６の切換は、所定の運転条件が満たされたとき、処理手段によって行われるとよい。代替的実施形態では、インバータ電流と異なる所定の運転条件が臨界切換点を決定するようになっていてもよい。例えば、臨界切換点を決定するための他の考えられるパラメータの内、インバータトルクまたはインバータ電圧に関する所定の運転条件が用いられてもよい。他の実施形態では、所定の運転条件は、システム始動からの経過時間に関連付けられていてもよい。

スイッチ２６が第１の状態から第２の状態に切り換えられると、膨張機−発電機１６は、インバータ２４から迅速に遮断され、負荷３０に接続されることになる。もし適切な切換点（例えば、所定の条件）が選択されたなら、膨張機−発電機１６は、循環する作動流体によって回転を継続し、スイッチ２６を介して負荷３０に送達される電力Ｗ_ｅを生じることになる。いったん膨張機−発電機１６がインバータ２４から遮断され、負荷３０に接続されたなら、膨張機−発電機１６内を通る熱力学的流れが膨張機−発電機１６の回転を保つのに十分となる点において、膨張機−発電機１６を切り換えることが重要である。いったん切換が行われたなら、膨張機−発電機１６は、その最適の作業速度に加速されることになる。

臨界切換を特に好ましくかつ再現性良く行う方法として、ポンプ２０によって生じる差圧に関する所定の運転条件を用いる方法が挙げられる。ポンプ２０は、最初に低速度で作動されると、揚圧力を生じ始める。ポンプ速度が増大するにつれて、揚圧力も増大することになる。ここで、最小揚圧力、すなわち、もしインバータが膨張機−発電機から断接または遮断されたなら、膨張機−発電機１６がポンプ２０によって生じた揚圧力によって回転を継続するような、揚圧力が存在する。この最小揚圧力は、初期の臨界切換点を表すことになる。もし作動流体の圧力が最小揚圧力またはそれを超えたときにインバータ２４が膨張機−発電機１６から断接または遮断されたなら、膨張機−発電機１６は、作動流体の循環によって、回転を継続することになる。

スイッチ２６は、それ自体、膨張機−発電機１６がインバータ２４および負荷３０に選択的に接続されることを可能にする電気機械式３極切換（３ＰＣＯ）スイッチ、固体素子リレースイッチ、半導体スイッチ、または任意の他の適切なスイッチまたはスイッチの組合せであってもよい。

本発明の代替的実施形態では、膨張機―発電機１６の膨張機および発電機は、共通シャフト上において互いに連結されており、ポンプ２０が、同一の共通シャフト上において、膨張機と発電機との間に配置されるように、膨張機−発電機１６に連結されている。膨張機−発電機１６およびポンプ２０は、好ましくは、磁気カップリングによって、互いに熱的に隔離されている。

この代替的実施形態では、インバータ２４は、圧力ヘッドが生じる前の始動時に膨張機−発電機１６を駆動するために用いられるようになっている。膨張機−発電機１６とポンプ２０との連結によって、回転する膨張機−発電機１６がポンプ２０も回転駆動させ、これによって、作動流体が、膨張機−発電機１６およびポンプ２０の回転速度に比例する割合で作動流体回路を循環することが可能になる。

作動流体の圧力が、最小レベル、すなわち、膨張機−発電機１６の回転を維持するために、インバータ２４によって膨張機−発電機１６に送達される駆動力を必要としないレベルまで上昇すると、インバータ２４の電流要求がゼロに低下し、インバータ２４を膨張機−発電機から断接または遮断することができる。何故なら、蒸発器１４に生じる作動流体の圧力が、膨張機−発電機１６を継続的に回転させ、従って、ポンプ２０を駆動させるのに十分になっているからである。前述の第１の実施形態と同じように、インバータ２４が膨張機−発電機１６の回転を実質的に一定の速度に維持する必要がなくなるにつれて、インバータ２４に供給される電流を低下させるために、検出手段がフィードバックシステムの一部として用いられるとよい。次いで、処理手段を用いて、所定の条件が満たされたとき、膨張機−発電機１６がインバータ２４から断接され（またはインバータ２４が遮断され）、電気負荷３０に接続されるように、スイッチ２６を切り換えるとよい。処理手段は、検出手段によって測定されたパラメータを考慮する制御アルゴリズムに基づいて作動するようになっているとよい。

いずれの実施形態においても、本発明は、作動流体ポンプ２０がポンプの寿命および性能に有害な望ましくない状況下では作動しないことを確実にする始動ルーチンをもたらすという利点を有している。その結果、作動流体内に潤滑剤をそれほど含ませる必要がなく、これによって、システム効率、特に、電気効率を高めることができる。本発明による熱エンジンの始動時間は、先行技術による装置と比較して、かなり短縮されることになる。例えば、本発明によって作製された熱エンジンは、始動から（低温から）３分以内にその全電源能力の略９０％で作動することができる。予熱手順のみを用いるとき、典型的な先行技術による熱エンジンは、同一の運転レベルに達するのに１０分以上掛かることになる。運転前のエンジンの予熱は、運転が開始された時点において、蒸発した作動流体が、低温のエンジン部品との接触によって凝縮し、ＯＲＣシステム１０／１０’の低圧側に浸透し始めることがない、という利点を有している。これによって、ポンプ２０は、もし加熱されたガス状の作動流体が低温の静止エンジン内に送られた場合に生じる可能性のある吸引側における流体の不足が防がれることになる。当業者であれば、多数の適切な代替的方法によるエンジンの電気的加熱によって、予熱が容易に達成されることを理解するだろう。

本発明は、予熱手順を用いる熱エンジンと比較して、わずかの数の機械的部品しか必要とせず、これによって、本発明によるシステムの全コストを低減させ、信頼性を高めることができる。本発明は、作動流体ポンプ２０によって供給される始動圧のこれまでの要件をなくし、これによって、運転中の摩耗を低減させ、運転性能を改良し、ポンプ２０の寿命を延ばすことができる。加えて、所定の運転条件によって決定される切換点を有することによって、膨張機−発電機１６による動力生成がいつ開始されるかをより確実に知ることができる。さらに本発明は、システムがしばらくの間駆動されていない状態にある「低温始動（cold-start）」とシステムが再始動される状態にある「高温再始動（hot-restart）」との間に区別を設ける必要がない、簡素化された始動プロトコルをもたらすことができる。

本明細書の説明および請求項を通して、「〜を備える（comprise）」および「〜を含む（contain）」という用語、およびこれらの用語の変形は、「〜を包含するが、それらに制限されない（including but not limited to）」ことを意味し、他の部分、添加物、構成要素、完全体、またはステップを排除することを意図せず（かつ排除するものではない）。本明細書の説明および請求項を通して、文脈に別段の要求がない限り、単数形は、複数形を含むものとする。特に、数が限定されていない物品が用いられる場合、本明細書は、文脈に別段の要求がない限り、単数形のみならず、複数形も考慮しているものとして理解されたい。

本発明の特定の態様、実施形態、または実施例に関連して記載されている特徴、完全体、特性、複合物、化学的部分、または化学基は、矛盾しない限り、記載されている任意の他の態様、実施形態、または実施例にも適用可能であることを理解されたい。（添付の任意の請求項、要約書、および図面を含む）本明細書に開示されている特徴の全ておよび／またはそのように開示されている任意の方法またはプロセスのステップの全ては、このような特徴および／またはステップの少なくとも一部が相互に排他的になっている組合せを除けば、どのような組合せで組み合わされてもよい。本発明は、どのような前述の実施形態の詳細にも制限されるものではない。本発明は、（添付の任意の請求項、要約書、および図面を含む）本明細書に開示されている特徴のうちの任意の新規のものまたは任意の新規の組合せ、またはそのように開示されている任意の方法またはプロセスのステップのうちの任意の新規のものまたは任意の新規の組合せに及ぶものである。

読者の注意は、本願に関して本明細書と同時にまたは本明細書に先立って出願され、本明細書によって公衆による閲覧に付された全ての論文または文献に向けられることになろうが、全てのこのような論文および文献の内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

Claims (36)

1. 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）熱エンジンにおいて、
   作動流体を加熱し、蒸発させる蒸発器と、
   前記作動流体を冷却し、凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器に流体連通する入口と前記凝縮器に流体連通する出口とを有する容積式膨張機−発電機と、
   を備えている作動流体回路を有しており、
   前記容積式膨張機−発電機に連結された制御システムであって、スイッチおよび駆動手段を備えており、前記スイッチは、第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能になっている、制御システムをさらに備えており、
   前記第１の状態では、前記スイッチは、前記駆動手段に連結されるようになっており、前記容積式膨張機−発電機は、前記駆動手段によって駆動可能になっており、
   前記第２の状態では、前記スイッチは、前記駆動手段に連結されていないか、または前記駆動手段が遮断されており、前記容積式膨張機−発電機は、前記駆動手段によって駆動されないように構成されていることを特徴とするＯＲＣ熱エンジン。
2. 前記作動流体回路は、前記作動流体回路を循環する作動流体の圧力を増大させるためのポンプをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＯＲＣ熱エンジン。
3. 前記制御システムは、前記ＯＲＣ熱エンジンの運転条件を検出するための検出手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のＯＲＣ熱エンジン。
4. 前記制御システムは、入力に応じて、前記スイッチを前記第１の状態と前記第２の状態との間で切り換えるための処理手段をさらに備えていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のＯＲＣ熱エンジン。
5. 前記処理手段は、前記検出手段に連結されており、前記処理手段は、所定の運転条件が満たされたとき、前記スイッチを前記第１の状態と前記第２の状態との間で切り換えるように構成されていることを特徴とする、請求項３に従属する請求項４に記載のＯＲＣ熱エンジン。
6. 前記検出手段は、第１の検出手段および第２の検出手段を備えており、
   前記第１の検出手段は、前記容積式膨張機−発電機の回転速度を検出し、前記スイッチが前記第１の状態にあるとき、前記膨張機−発電機の実質的に一定の回転数が維持されるように、前記駆動手段の出力を調整するように構成されており、
   前記第２の検出手段は、前記駆動手段の運転パラメータを検出するように構成されていることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジン。
7. 前記駆動手段の前記出力が所定の閾値よりも小さいかまたは等しいとき、前記所定の運転条件が満たされるようになっている、ことを特徴とする請求項５に従属する請求項６に記載のＯＲＣ熱エンジン。
8. 前記容積式膨張機−発電機は、膨張機および発電機を備えており、
   前記膨張機および前記発電機の各々は、共通シャフト上にあり、
   前記ポンプは、前記共通シャフト上において前記膨張機−発電機に連結されていることを特徴とする請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし７のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジン。
9. 前記スイッチは、電気機械式スイッチであることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のＯＲＣ熱エンジン。
10. 前記スイッチは、電気機械式３極切換スイッチ（３ＰＣＯ）であることを特徴とする請求項９に記載のＯＲＣ熱エンジン。
11. 前記スイッチは、１つまたは複数の固体素子リレーを有していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジン。
12. 前記スイッチは、半導体スイッチであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジン。
13. 前記膨張機−発電機は、スクロール膨張機を備えていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のＯＲＣ熱エンジン。
14. 前記膨張機−発電機は、永久磁石発電機を備えていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のＯＲＣ熱エンジン。
15. 前記駆動手段は、モータを含んでおり、
    前記スイッチは、前記膨張機−発電機に対してモータを接続かつ遮断するためのクラッチを備えていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のＯＲＣ熱エンジン。
16. 前記駆動手段は、インバータを含んでいることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジン。
17. 前記インバータは、前記容積式膨張機−発電機を駆動するために、直流バスから電力を取出し、３相電流を前記容積式膨張機−発電機に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１６に記載のＯＲＣ熱エンジン。
18. 前記インバータは、整流器として作用するように切り換え可能になっており、
    前記容積式膨張機−発電機が３相電流を生じたとき、整流器として作用し、前記生じた３相電流をＤＣバスに供給するための電流（ＤＣ）に変換するようになっていることを特徴とする請求項１６または１７に記載のＯＲＣ熱エンジン。
19. 前記第１の検出手段は、前記インバータに供給された電流を調整することによって、前記インバータの出力を調整するように構成されており、
    前記第２の検出手段によって検出される前記インバータの前記運転パラメータは、前記インバータに供給される電流であることを特徴とする請求項６に従属する請求項１６ないし１８のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジン。
20. 前記インバータに供給された前記電流が所定の閾値よりも小さいかまたは等しいとき、前記所定の運転条件が満たされるようになっていることを特徴とする請求項５に従属する請求項１９に記載のＯＲＣ熱エンジン。
21. 前記初期の閾値は、約０Ａであることを特徴とする請求項２０に記載のＯＲＣ熱エンジン。
22. 前記容積式膨張機−発電機の前記出口から出る作動流体と前記蒸発器に入る前記作動流体との間の熱交換を容易にするように配置された再生器熱交換器をさらに備えていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のＯＲＣ熱エンジン。
23. 請求項１ないし２２のいずれか一項に記載のＯＲＣ熱エンジンと、電気負荷とを備える電気システムにおいて、
    前記膨張機−発電機によって生じた電力が前記電気負荷に供給可能になるように、前記電気負荷は、前記スイッチが前記第２の状態にあるとき、前記膨張機−発電機に電気的に接続されるように配置されていることを特徴とする電気システム。
24. ＯＲＣ熱エンジンを制御するための制御システムにおいて、
    インバータと、
    第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能になっているスイッチと、
    前記スイッチに連結され、前記ＯＲＣ熱エンジンの運転条件を検出するように構成された検出手段と、
    前記検出手段に連結された処理手段であって、所定の運転条件が満たされたとき、前記スイッチを前記第１の状態と前記第２の状態との間で切り換えるように構成されている、処理手段と、
    を備えており、
    前記第１の状態では、前記スイッチは、前記インバータに電気的に連結されるようになっており、
    前記第２の状態では、前記スイッチは、前記インバータに電気的に連結されないようになっており、これによって、前記制御システムが容積式膨張機−発電機を備える熱エンジンに接続されたとき、前記容積式膨張機−発電機は、
    前記スイッチが前記第１の状態にある場合、前記インバータによって駆動可能になり、
    前記スイッチが前記第２の状態にある場合、前記インバータによって駆動されないようになっていることを特徴とする制御システム。
25. ＯＲＣ熱エンジンを制御する方法において、
    （ｉ）請求項１に記載のＯＲＣ熱エンジンを前記スイッチが第１の状態にあるように準備するステップと、
    （ｉｉ）前記容積式膨張機−発電機を駆動させるために前記駆動手段を作動させ、これによって、作動流体を前記作動流体回路に沿って循環させるステップと、
    （ｉｉｉ）前記膨張機−発電機が、前記駆動手段ではなく、前記循環する作動流体によって駆動され、電力を生じるように、前記スイッチを前記第１の状態から前記第２の状態に切り換えるステップと、
    を有することを特徴とする方法。
26. 前記ＯＲＣ熱エンジンの前記作動流体回路は、前記作動流体回路を循環する作動流体の圧力を増大させるためのポンプをさらに備えており、
    前記方法は、
    （ｉｖ）前記ステップ（ｉｉｉ）の前に、前記循環する作動流体の圧力を増大させるために、前記ポンプを作動させるステップをさらに有することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記ＯＲＣ熱エンジンの前記容積式膨張機−発電機は、膨張機および発電機を備えており、前記膨張機および前記発電機は、各々、共通シャフト上にあり、前記ポンプは、前記共通シャフト上において前記膨張機−発電機に連結されており、前記ステップ（ｉｖ）は、前記ステップ（ｉｉ）と同時に行われるようになっていることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記ＯＲＣ熱エンジンの前記制御システムは、
    前記熱エンジンの運転条件を検出するための検出手段と、
    前記検出手段に連結された処理手段と、
    をさらに備えており、
    所定の運転条件が満たされたとき、前記処理手段は、前記ステップ（ｉｉｉ）を自動的に実行するようになっていることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記検出手段は、第１の検出手段および第２の検出手段を備えており、
    前記第１の検出手段は、前記容積式膨張機−発電機の回転速度を検出し、前記スイッチが前記第１の状態にあるとき、前記膨張機−発電機の実質的に一定の回転速度が維持されるように、前記駆動手段の出力を調整するようになっており、
    前記第２の検出手段は、前記駆動手段の運転パラメータを検出するようになっており、
    前記駆動手段の出力が所定の閾値よりも小さいかまたは等しいとき、前記所定の運転条件が満たされるようになっていることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記検出手段は、前記ポンプによって生じた前記作動流体の揚圧力を検出し、前記検出された揚圧力が所定の閾値よりも大きいかまたは等しいとき、前記所定の運転条件が満たされるようになっていることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
31. 前記ステップ（ｉｉｉ）を実行する前に、前記膨張機−発電機を、前記スイッチを介して電気負荷に接続するステップをさらに含んでおり、
    前記ステップ（ｉｉｉ）に続いて、前記膨張機−発電機によって生じた電力が、前記スイッチを介して前記電気負荷に供給されるようになっていることを特徴とする請求項２５ないし３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 前記駆動手段はインバータを含んでいることを特徴とする請求項２５ないし３１のいずれか一項に記載の方法。
33. 添付の図面を参照して明細書に実質的に記載されているＯＲＣ熱エンジン。
34. 添付の図面を参照して明細書に実質的に記載されている電気システム。
35. 添付の図面を参照して明細書に実質的に記載されているＯＲＣ熱エンジンを制御するための制御システム。
36. 添付の図面を参照して明細書に実質的に記載されているＯＲＣ熱エンジンを制御する方法。
    
    
    

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