特開 2024-20597 廃熱回収システムおよびそのためのタービン膨張機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024020597

(43)【公開日】2024-02-14

(54)【発明の名称】廃熱回収システムおよびそのためのタービン膨張機

(51)【国際特許分類】

   F01K 25/10 20060101AFI20240206BHJP

【ＦＩ】

F01K25/10 W

F01K25/10 V

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023203246

(22)【出願日】2023-11-30

(62)【分割の表示】P 2019031418の分割

【原出願日】2019-02-25

(31)【優先権主張番号】62/635,858

(32)【優先日】2018-02-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】500124378

【氏名又は名称】ボーグワーナー インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100093861

【弁理士】

【氏名又は名称】大賀 眞司

(74)【代理人】

【識別番号】100129218

【弁理士】

【氏名又は名称】百本 宏之

(72)【発明者】

【氏名】フレデリック・マイケル・ハッシャー

(57)【要約】      （修正有）

【課題】内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システム用タービン膨張機を提供する。
【解決手段】タービン膨張機２２は、タービンブレード、タービンブレードに結合され、それによって回転可能なシャフトと、ノズルアセンブリを含む。ノズルアセンブリは、シャフトの周りに配置され、タービンブレードに隣接しているノズルブロックと、ノズルブロックに結合された第１のノズル構成要素と、ノズルブロックに結合された第２のノズル構成要素とを含む。第１のノズル構成要素は、第１の幾何学的構成を有する第１のノズルを画定する。第２のノズル構成要素は、第１の幾何学的構成とは異なる第２の幾何学的構成を有する第２のノズルを画定する。廃熱回収システム２０はまた、タービン膨張機２２と流体連通する流量制御装置２４を含む。廃熱回収システム２０は、流量制御装置２４と通信するコントローラ２６をさらに含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体に基づいて動力を出力するための廃熱回収システム用のタービン膨張機であって：
前記作動流体によって回転可能なタービンブレード；
前記タービンブレードに結合され、それによって回転可能であり、長手方向軸に沿って延びるシャフト；及び
前記タービンブレードを回転させるために前記作動流体を前記タービンブレードに導くためのノズルアセンブリ；を含み、前記ノズルアセンブリは、
前記シャフトの周りに配置され、前記タービンブレードに隣接しているノズルブロック、
前記作動流体を加速するために前記ノズルブロックに結合され、第１の幾何学的構成を有する第１のノズルを画定する第１のノズル構成要素、及び
前記作動流体を加速するために前記ノズルブロックに結合され、前記第１の幾何学的構成とは異なる第２の幾何学的構成を有する第２のノズルを画定する第２のノズル構成要素を含む、タービン膨張機。

【請求項2】

前記第１のノズルの前記第１の幾何学的構成は、第１のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第２のノズルの前記第２の幾何学的構成は、前記第１のスロート断面積とは異なる第２のスロート断面積を有するデラバル構成である、請求項１に記載のタービン膨張機。

【請求項3】

前記ノズルアセンブリは、前記作動流体を加速するために前記ノズルブロックに結合された第３のノズル構成要素をさらに含み、前記第３のノズル構成要素は、前記第１及び第２の幾何学的構成のうちの少なくとも１つとは異なる第３の幾何学的構成を有する第３のノズルを画定する、請求項１または２に記載のタービン膨張機。

【請求項4】

前記ノズルアセンブリは、前記作動流体を加速するために前記ノズルブロックに結合された第４のノズル構成要素をさらに含み、前記第４のノズル構成要素は、前記第１、第２の幾何学的構成、及び第３の幾何学的構成のうちの少なくとも１つとは異なる第４の幾何学的構成を有する第４のノズルを画定する、請求項３に記載のタービン膨張機。

【請求項5】

前記第１のノズルの前記第１の幾何学的構成は、第１のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第２のノズルの前記第２の幾何学的構成は、第２のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第３のノズルの前記第３の幾何学的構成は、第３のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第４の幾何学的構成は、第４のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第１、第２、第３、及び第４のスロート断面積のそれぞれは異なる、請求項４に記載のタービン膨張機。

【請求項6】

前記第１及び第２のノズル構成要素は、前記長手方向軸の周りに円周方向に離隔される、請求項１～５のいずれか一項に記載のタービン膨張機。

【請求項7】

前記第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素は、前記長手方向軸の周りに円周方向に離隔される、請求項５または６に記載のタービン膨張機。

【請求項8】

前記第１及び第２のノズル構成要素は、前記ノズルブロックと一体型である、請求項１～７のいずれか一項に記載のタービン膨張機。

【請求項9】

前記ノズルブロックはさらに第１のボア及び第２のボアを画定し、前記第１のノズル構成要素は、前記第１のノズル構成要素が前記第１のボア内に選択的に配置されるように前記ノズルブロックに取り外し可能に結合され、前記第２のノズル構成要素は、前記第２のノズル構成要素が前記第２のボア内に選択的に配置されるように前記ノズルブロックに取り外し可能に結合される、請求項１～８のいずれか一項に記載のタービン膨張機。

【請求項10】

内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムであって:
請求項１～９のいずれか一項に記載の前記タービン膨張機；
前記作動流体を前記第１及び第２のノズルのうちの少なくとも１つに導くために、または前記タービン膨張機をバイパスするために、前記タービン膨張機と流体連通する流量制御装置；及び
前記流量制御装置と通信し、前記作動流体を前記第１及び第２のノズルのうちの少なくとも１つに導くように、または前記タービン膨張機をバイパスするように前記流量制御装置を制御するのに適しているコントローラ；を含む、廃熱回収システム。

【請求項11】

前記タービン膨張機の上流の前記作動流体の作動流体温度及び作動流体圧力のうちの少なくとも１つを検出するのに適した少なくとも１つのセンサをさらに含む、請求項１０に記載の廃熱回収システム。

【請求項12】

前記コントローラは、前記少なくとも１つのセンサによって検出された前記作動流体温度及び前記作動流体圧力のうちの少なくとも１つに基づいて、前記作動流体を前記第１及び第２のノズルのうちの少なくとも１つに導くように、または前記タービン膨張機をバイパスするように前記流量制御装置を制御する、請求項１１に記載の廃熱回収システム。

【請求項13】

作動流体に基づいて動力を出力するための廃熱回収システム用のタービン膨張機であって：
前記作動流体によって回転可能なタービンブレード；
前記タービンブレードに結合され、それによって回転可能なシャフト；及び
前記タービンブレードを回転させるために前記作動流体を前記タービンブレードに導くためのノズルアセンブリ；を含み、前記ノズルアセンブリは、
前記シャフトの周りに配置され、前記タービンブレードに隣接しており、第１のボアを画定するノズルブロック、及び
前記作動流体を加速するために前記ボア内に選択的に配置されるように前記ノズルブロックに取り外し可能に結合され、ノズルを画定するノズル構成要素を含み；
前記ノズルブロックの少なくとも一部は、前記ノズルと前記タービンブレードとの間に配置される、タービン膨張機。

【請求項14】

内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムであって：
作動流体に基づいて動力を出力するためのタービン膨張機であって、前記タービン膨張機は、
前記作動流体によって回転可能なタービンブレード、
前記タービンブレードに結合され、前記タービンブレードによって回転可能であり、長手方向軸に沿って延びるシャフト、及び
前記タービンブレードを回転させるために前記作動流体を前記タービンブレードに導くためのノズルアセンブリを含み、前記ノズルアセンブリは、
前記シャフトの周りに配置され、前記タービンブレードに隣接しており、ボアを画定するノズルブロック、及び
前記作動流体を加速するために前記ボア内に選択的に配置されるように前記ノズルブロックに取り外し可能に結合され、ノズルを画定するノズル構成要素を含む、前記タービン膨張機；
前記作動流体を前記ノズルに導くために、または前記タービン膨張機をバイパスするように前記タービン膨張機と流体連通する流量制御装置；及び
前記流量制御装置と通信し、前記作動流体を前記ノズルに導くように、または前記タービン膨張機をバイパスするように前記流量制御装置を制御するのに適しているコントローラ；を含む、廃熱回収システム。

【請求項15】

前記ノズルブロックの少なくとも一部は、前記ノズルと前記タービンブレードとの間に配置される、請求項１４に記載の廃熱回収システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムに関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関（ＩＣＥ）は作動中に推力及び／または動力を生成し、副産物として熱を放出する。自動車産業において、廃熱回収システムは、典型的に、このような廃棄された熱を利用して自動車の電子部品に電力を供給するためにも使用され得る電気を生産する。

【0003】

従来の廃熱回収システムは、タービン膨張機、流量制御装置、及びコントローラを含む。タービン膨張機は、作動流体に基づいて動力を出力する。具体的には、従来の廃熱回収システムにおいて、タービン膨張機は、作動流体によって回転可能なタービンブレードと、タービンブレードに結合されかつそれによって回転可能で長手方向軸に沿って延びるシャフトと、タービンブレードを回転させるために作動流体をタービンブレードに導くためのノズルアセンブリと、を含む。

【0004】

従来のノズルアセンブリは、ノズルブロックと、第１のノズル構成要素と、第２のノズル構成要素と、を有する。ノズルブロックは、シャフトの周りに配置され、タービン膨張機に隣接している。第１のノズル構成要素は、作動流体を加速するためにノズルブロックと一体型であり、第１のノズルを画定し、第２のノズル構成要素は、作動流体を加速するためにノズルブロックと一体型であり、第２のノズルを画定する。従来のノズル構成要素において、第１及び第２のノズルは、同じ幾何学的構成を有する。

【0005】

従来の廃熱回収システムは、有機ランキンサイクル（ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ：ＯＲＣ）を利用する。ＯＲＣは、水－スチーム相変化よりも低い温度で生じる液体－蒸気相変化を有する有機高分子量作動流体の使用のために命名される。作動流体は、エタノール、メタノール、ケロシン（ｋｅｒｏｓｅｎｅ）、ガソリン、ディーゼル、プロパノール、ブタノール、水、ベンゼン、トルエン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセトン、または液体水素のうちの少なくとも１つを含み得る。ＩＣＥによって廃棄された熱は、作動流体を加熱して、作動流体が液体状態から蒸気状態へ液体－蒸気相変化をするようになる。蒸気状態では、作動流体はタービンブレードを回転させるのにより適している。

【0006】

近年、廃熱回収システムの効率及び全体的な性能を向上させることが求められている。廃熱回収システムの効率及び全体的な性能を向上させることに助けるために、作動範囲を拡張し、制御性を改善しようとする要求があった。従来の廃熱回収システムの場合、作動流体はタービンブレードを回転させるために適切な圧力及び質量流量で流れなければならない。

【0007】

しかしながら、第１及び第２のノズルが同じ幾何学的構成を有する従来の廃熱回収システムでは、廃熱回収システムが作動可能な狭いウィンドウ範囲の作動流体圧力及び質量流量しか存在しない。具体的には、ＩＣＥによって生成された熱は、ＩＣＥの速度及び負荷に基づいて異なる。このように、ＩＣＥの特定の作動状態（例えば、始動）において、ＩＣＥによって生成された熱は、作動流体圧力及び質量流量が、廃熱回収システムが作動可能な狭いウィンドウ範囲を外れるようにすることもできる。作動流体が狭いウィンドウ範囲の圧力及び質量流量を外れると、作動流体はタービン膨張機をバイパスしなければならないか、またはタービン膨張機はタービンブレードに対する作動流体の凝縮損傷を防ぐために遮断されなければならない。

【0008】

また、従来のノズルアセンブリは製造が困難である。具体的には、ノズルブロックと一体型であるノズル構成要素内にノズルを画定することは、ノズルブロックのサイズにより、広範囲かつ精密な機械加工を必要とするため、製造時間及びコストを増加させる。

【0009】

このように、改善された廃熱回収システムを提供する必要性が残っている。

【発明の概要】

【0010】

内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムは、作動流体に基づいて動力を出力するためのタービン膨張機を含む。タービン膨張機は、作動流体によって回転可能なタービンブレードと、タービンブレードに結合されかつそれによって回転可能で長手方向軸に沿って延びるシャフトと、タービンブレードを回転させるために作動流体をタービンブレードに導くためのノズルアセンブリと、を含む。ノズルアセンブリは、シャフトの周りに配置され、タービンブレードに隣接しているノズルブロックと、作動流体を加速するためにノズルブロックに結合された第１のノズル構成要素と、作動流体を加速するためにノズルブロックに結合された第２のノズル構成要素と、を含む。第１のノズル構成要素は、第１の幾何学的構成を有する第１のノズルを画定する。第２のノズル構成要素は、第１の幾何学的構成とは異なる第２の幾何学的構成を有する第２のノズルを画定する。廃熱回収システムはまた、作動流体を第１及び第２のノズルのうちの少なくとも１つに導くために、またはタービン膨張機をバイパスするためにタービン膨張機と流体連通する流量制御装置を含む。廃熱回収システムは、流量制御装置と通信し、作動流体を第１及び第２のノズルのうちの少なくとも１つに導くように、またはタービン膨張機をバイパスするように流量制御装置を制御するのに適しているコントローラをさらに含む。

【0011】

内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムは、作動流体に基づいて動力を出力するためのタービン膨張機を含む。タービン膨張機は、作動流体によって回転可能なタービンブレードと、タービンブレードに結合されかつそれによって回転可能で長手方向軸に沿って延びるシャフトと、タービンブレードを回転させるために作動流体をタービンブレードに導くためのノズルアセンブリと、を含む。ノズルアセンブリは、シャフトの周りに配置され、タービンブレードに隣接しているノズルブロックを含み、ノズルブロックはボア（ｂｏｒｅ）を画定する。ノズルアセンブリはまた、ノズルブロックに取り外し可能に結合されたノズル構成要素を含み、したがって、ノズル構成要素は、作動流体を加速するためにボア内に選択的に配置される。ノズル構成要素は、ノズルを画定する。廃熱回収システムはまた、作動流体をノズルに導くために、またはタービン膨張機をバイパスするためにタービン膨張機と流体連通する流量制御装置を含む。廃熱回収システムは、流量制御装置と通信し、作動流体をノズルに導くように、またはタービン膨張機をバイパスするように流量制御装置を制御するのに適しているコントローラをさらに含む。上述のようなタービン膨張機において、ノズルブロックの少なくとも一部は、ノズルとタービンブレードとの間に配置され得る。

【0012】

したがって、異なる幾何学的構成を有する第１及び第２のノズルを有する廃熱回収システムは、作動流体が異なる作動流体圧力及び質量流量で第１及び第２のノズルの各々を通過することができるようにして、廃熱回収システムの作動範囲を拡大させることができる。また、第１及び第２のノズルは、廃熱回収システムのより大きな制御性を可能にする作動流体圧力及び質量流量のための一連の増分ステップを提供する。さらに、ノズルブロックに取り外し可能に結合されたノズル構成要素を有する廃熱回収システムは、廃熱回収システムの製造上の複雑さを減少させる。具体的には、ノズル構成要素のノズルは、ノズルブロックとは独立して機械加工され得るので、製造時間及び製造コストを減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになるので、容易に推察されるであろう。

【図1】図１は、タービン膨張機、流量制御装置、コントローラ、蒸発器、凝縮器、センサ、及びポンプを含む廃熱回収システムの概路図である。

【図2】図２は、タービン膨張機の斜視図である。

【図3】図３は、タービン膨張機が作動流体によって回転可能なタービンブレードと、タービンブレードに結合されかつそれによって回転可能なシャフトと、タービンブレードを回転させるために作動流体をタービンブレードに導くためのノズルアセンブリと、を含む図２のタービン膨張機の斜視図である。

【図4】図４は、タービンハウジングが取り外され、タービンブレード及びシャフトが仮想線で示されている図２のタービン膨張機の平面図である。

【図5】図５は、ノズルアセンブリがノズルブロックと、ノズルブロックに結合されて仮想線で示された第１のノズルを画定する第１のノズル構成要素と、ノズルブロックに結合されて仮想線で示された第２のノズルを画定する第２のノズル構成要素と、ノズルブロックに結合されて仮想線で示された第３のノズルを画定する第３のノズル構成要素と、ノズルブロックに結合されて仮想線で示された第４のノズルを画定する第４のノズル構成要素と、を含む図２～図４のノズルアセンブリの平面図である。

【図6A】図６Ａは、図５の６Ａ－６Ａ線に沿って取られた第１のノズル構成要素の断面図である。

【図6B】図６Ｂは、図５の６Ｂ－６Ｂ線に沿って取られた第２のノズル構成要素の断面図である。

【図6C】図６Ｃは、図５の６Ｃ－６Ｃ線に沿って取られた第３のノズル構成要素の断面図である。

【図6D】図６Ｄは、図５の６Ｄ－６Ｄ線に沿って取られた第４のノズル構成要素の断面図である。

【図7A】図７Ａは、図６Ａの７Ａ－７Ａ線に沿って取られた第１のノズルの第１のスロート部（ｔｈｒｏａｔ ｓｅｃｔｉｏｎ）の断面図である。

【図7B】図７Ｂは、図６Ｂの７Ｂ－７Ｂ線に沿って取られた第２のノズルの第２のスロート部の断面図である。

【図7C】図７Ｃは、図６Ｃの７Ｃ－７Ｃ線に沿って取られた第３のノズルの第３のスロート部の断面図である。

【図7D】図７Ｄは、図６Ｄの７Ｄ－７Ｄ線に沿って取られた第４のノズルの第４のスロート部の断面図である。

【図8】図８は、ノズルブロックが第１、第２、第３、及び第４のボアを画定し、第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素がノズルブロックに取り外し可能に結合され、第１、第２、第３、及び第４のノズルが仮想線で示されており、第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素がそれぞれ第１、第２、第３、及び第４のボア内に配置されている図２～図５のノズルアセンブリの代替実施形態の斜視図である。

【図9】図９は、第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素がそれぞれ第１、第２、第３、及び第４のボアから取り外されている図８のノズルアセンブリの斜視図である。

【図10】図１０は、第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素に結合された複数の流体カプラをさらに含む図２のタービン膨張機の斜視図である。

【図11】図１１は、複数の流体結合カプラが第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素から取り外されている図１０のタービン膨張機の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図面を参照すると、いくつかの図面を通して同じ番号は同じ部品を示し、内燃機関（ＩＣＥ）の廃熱を回収するための廃熱回収システム２０が図１に概略的に示されている。廃熱回収システム２０は、作動流体に基づいて動力を出力するためのタービン膨張機２２と、タービン膨張機２２と流体連通する流量制御装置２４と、流量制御装置２４と通信するコントローラ２６と、を含む。

【0015】

図３を参照すると、タービン膨張機２２は、作動流体によって回転可能なタービンブレード２８を含む。図２に最もよく示されたように、タービン膨張機２２はまた。タービンブレード２８に結合されかつそれによって回転可能なシャフト３０を含む。シャフト３０は、長手方向軸Ａに沿って延びる。作動流体は、シャフト３０の長手方向軸Ａの周りにタービンブレード２８を回転させる。

【0016】

図２を引き続き参照すると、タービン膨張機２２は、タービンブレード２８を回転させるために作動流体をタービンブレード２８に導くためのノズルアセンブリ３２をさらにと含む。ノズルアセンブリ３２は、シャフト３０の周りに配置され、タービンブレード２８に隣接しているノズルブロック３４を含む。典型的に、ノズルブロック３４は、環状形態を有する。しかしながら、ノズルブロック３４は、作動流体をタービンブレード２８に導くのに適した任意の形態を有することもできる。ノズルブロック３４は、図４に最もよく示されたように、タービンブレード２８に向ける第１の面３６、及び図２に最もよく示されたように、第１の面３６と対向する第２の面３８を有することができる。

【0017】

図２を引き続き参照すると、ノズルアセンブリ３２はまた、作動流体を加速するためにノズルブロック３４に結合されたノズル構成要素４０を含む。図５及び図６Ａに示されたように、ノズル構成要素４０は、ノズル４２を画定する。一実施形態において、ノズル構成要素４０は、図２に示されたように、ノズルブロック３４と一体型（すなわち、ワンピース）である。別の実施形態において、以下にさらに詳細に説明するように、ノズル構成要素４０は、ノズルブロック３４とは別個であり得る（すなわち、一体型ではないことがあり得る）。

【0018】

ノズル４２は、幾何学的構成を有する。幾何学的構成は、収束型（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ－ｔｙｐｅ）構成、発散型（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ－ｔｙｐｅ）構成、またはデラバル（ｄｅ Ｌａｖａｌ）収束－発散型）構成であり得る。典型的に、幾何学的構成は、図５及び図６Ａに示されたようにデラバル構成である。

【0019】

図６Ａに最もよく示されたように、ノズル４２の幾何学的構成がデラバル構成であるとき、ノズル４２は、作動流体入口４４と、収束部４６と、発散部４８と、発散部４８から収束部４６を分離するスロート部５０と、作動流体出口５２と、を含み得る。存在する場合、収束部４６は、作動流体入口４４からスロート部５０まで延びる。収束部４６が存在する場合、ノズル４２の断面積は、作動流体入口４４からスロート部５０に向かって徐々に減少する。存在する場合、発散部４８は、スロート部５０から作動流体出口５２まで延びる。発散部４８が存在する場合、ノズル４２の断面積は、スロート部５０から作動流体出口５２に向かって徐々に増加する。存在する場合、スロート部５０は、ノズル４２の断面積が最小になる所である。本開示の文脈では、ノズル４２の最小断面積は、図７Ａに最もよく示されたように、スロート断面積５４と呼ばれる。

【0020】

作動流体は、ノズル４２の収束部４６を通ってスロート部５０に至る。作動流体が適切な圧力及び質量流量を有する場合、作動流体速度は、スロート部５０でチョーク（ｃｈｏｋｅ）される。作動流体がスロート部５０でチョークされる作動流体速度に対して適切な圧力及び質量流量であるか否かは、スロート断面積５４に基づく。その後、作動流体は、発散部４８内で膨脹して作動流体速度が超音速まで増加する。このようにして、ノズル４２は、作動流体を超音速に加速する。

【0021】

上述のように、ノズル構成要素４０は、ノズルブロック３４と一体型であり得る。他の実施形態において、ノズル構成要素４０は、例えば、熔接によってノズルブロック３４に固定され得る。図８及び図９に示されたように、ノズル構成要素４０は、ノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。ノズル構成要素４０がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、ノズルブロック３４は、ノズル構成要素４０を選択的に受容するためのボア５６を画定することができる。このようにして、ノズル構成要素４０は、ボア５６内に選択的に配置され得る。有利には、ノズル構成要素４０がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、廃熱回収システム２０の製造上の複雑さが減少される。具体的には、ノズル構成要素４０のノズル４２は、ノズルブロック３４とは独立して機械加工及び／または鋳造され得るので、製造時間及び製造コストを減少させることができる。取り外し可能に結合されたノズル構成要素４０はまた、ノズル構成要素４０の互換性によって廃熱回収システム２０のカスタマイズ可能性（ｃｕｓｔｏｍｉｚａｂｉｌｉｔｙ）をより大きくすることができる。

【0022】

ノズル構成要素４０がノズルブロック３４に取り外し可能に結合される場合、ノズル構成要素はねじ山を含み得る。ノズルブロック３４はまた、ノズル構成要素がノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得るように、ねじ山を含み得る。他の実施形態において、ノズル構成要素４０は、中間ばめ（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｉｔ）または締まりばめ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ）によってノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。

【0023】

いくつかの実施形態において、ノズル構成要素４０がノズルブロック３４に取り外し可能に結合される場合、ノズルブロック３４の少なくとも一部は、図８及び図９に示されたようにノズル４２とタービンブレード２８との間に配置される。他の実施形態において、ノズルブロック３４は、全体的にノズル４２とタービンブレード２８との間に配置される。いくつかの実施形態において、ノズルブロック３４のどの部分もノズル４２とタービンブレード２８との間に配置されていない。

【0024】

ノズル構成要素４０は、第１のノズル構成要素４０としてさらに画定され得るし、ノズル４２は、第１のノズル４２としてさらに画定され得る。さらに、上述のノズル４２の各部分は、第１の部分（例えば、第１のスロート部５０、第１のスロート断面積５４など）としてさらに画定され得る。

【0025】

図２を参照すると、ノズルアセンブリ３２はまた、作動流体を加速するためにノズルブロック３４に結合された第２のノズル構成要素５８を含み得る。図５及び図６Ｂに示されたように、存在する場合、第２のノズル構成要素５８は、第２のノズル６０を画定する。一実施形態において、図２に最もよく示されたように、第２のノズル構成要素５８は、ノズルブロック３４と一体型（すなわち、ワンピース）である。別の実施形態において、以下にさらに詳細に説明するように、第２のノズル構成要素５８は、ノズルブロック３４と別個であり得る（すなわち、一体型ではないことがあり得る）。

【0026】

第２のノズル６０は、第２の幾何学的構成を有する。第２の幾何学的構成は、収束型構成、発散型構成、またはデラバル（収束－発散型）構成であり得る。典型的には、第２の幾何学的構成は、図５及び図６Ｂに示されたようにデラバル構成である。第２の幾何学的構成がデラバル構成であるとき、第２のノズル６０は、第２の作動流体入口６２と、第２の収束部６４と、第２の発散部６６と、第２の発散部６６から第２の収束部６４を分離する第２のスロート部６８と、第２の作動流体出口７０と、を有することができる。図７Ｂに最もよく示されたように、第２のノズル６０の最小断面積は、第２のスロート断面積７２と呼ばれる。第１の作動流体入口４４、第１の収束部４６、第１の発散部４８、第１のスロート部５０、及び第１の作動流体出口５２の説明は、第２の作動流体入口６２、第２の収束部６４、第２の発散部６６、第２のスロート部６８、及び第２の作動流体出口７０にも適用されることが推察されるべきである。

【0027】

一実施形態において、第２のノズル６０の第２の幾何学的構成は、存在する場合、第１のノズル４２の第１の幾何学的構成と異なる。いくつかの実施形態において、第１及び第２の幾何学的構成は、異なるタイプの構成であり得る。例えば、第１の幾何学的構成は、収束型構成であり得、第２の幾何学的構成はデラバル構成であり得る。他の実施形態において、図５に示されたように、第１及び第２の幾何学的構成は、同じタイプの構成であり得るが、互いに異なる対応する部分を有することができる。例えば、第１及び第２の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第１のノズル４２の第１の作動流体入口４４、第１の収束部４６、第１のスロート部５０、第１の発散部４８、及び第１の作動流体出口５２のうちの少なくとも１つは、第２のノズル６０の対応する第２の作動流体入口６２、第２の収束部６４、第２のスロート部６８、第２の発散部６６、及び第２の作動流体出口７０とは異なる。

【0028】

いくつかの実施形態において、第１及び第２の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第２のスロート断面積７２は、図７Ａ及び図７Ｂに示されたように、第１のスロート断面積５４とは異なる。上述のように、作動流体の速度が第１及び第２のスロート部５０、６８でチョークされるかどうかは、第１及び第２のスロート断面積５４、７２及び作動流体圧力及び質量流量によって決定される。第１及び第２のスロート断面積５４、７２が異なるので、作動流体圧力及び質量流量は、第１及び第２のノズル４２、６０のうちの１つが作動流体を超音速に加速するために適している可能性があり、第１及び第２のノズル４２、６０のうちの他の１つは適していない可能性がある。さらに、ＩＣＥの作動中、廃熱回収システム２０によって回収された熱は、第１及び第２のノズル４２、６０の両方が作動流体を超音速に加速することができるように作動流体圧力及び質量流量を変化させることができる。このようにして、第１及び第２のノズル４２、６０は、廃熱回収システム２０の作動範囲を拡大させる。具体的には、第１及び第２のノズル４２、６０は、特定の作動流体圧力に対して廃熱回収システム２０が作動し得る作動流体質量流量の範囲を拡大させる。これは有利に、以下でさらに詳細に説明するるように、廃熱回収システム２０が、より広い範囲のＩＣＥ作動状態に対して最大サイクル効率及び動力出力を維持することを可能にする。

【0029】

図２に示して上述したように、第２のノズル構成要素５８は、ノズルブロック３４と一体型であり得る。他の実施形態において、第２のノズル構成要素５８は、例えば、熔接によってノズルブロック３４に固定され得る。図８及び図９に示されたように、さらに他の実施形態において、第２のノズル構成要素５８は、ノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。第２のノズル構成要素５８がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、ノズルブロックは、第２のノズル構成要素５８を選択的に受容するための第２のボア７４を画定することができる。このようにして、第２のノズル構成要素５８は、第２のボア７４内に選択的に配置され得る。

【0030】

第２のノズル構成要素５８がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、第２のノズル構成要素はねじ山を含み得る。ノズルブロック３４はまた、第２のノズル構成要素５８がノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得るようにねじ山を含み得る。他の実施形態において、第２のノズル構成要素５８は、中間ばめまたは締まりばめによってノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。

【0031】

いくつかの実施形態において、第２のノズル構成要素５８がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、ノズルブロック３４の少なくとも一部は、図８及び図９に示されたように第２のノズル６０とタービンブレード２８との間に配置される。他の実施形態において、ノズルブロック３４は、全体的に第２のノズル６０とタービンブレード２８との間に配置される。いくつかの実施形態において、ノズルブロック３４のいかなる部分も、第２のノズル６０とタービンブレード２８との間に配置されない。

【0032】

いくつかの実施形態において、第１及び第２のノズル構成要素４２、６０は、長手方向軸Ａの周りに円周方向に離隔され得る。他の実施形態において、第１及び第２のノズル構成要素４２、６０は、長手方向軸Ａの周りに等間隔で円周方向に離隔され得る。

【0033】

再び図２を参照すると、ノズルアセンブリ３２はまた、作動流体を加速するためにノズルブロック３４に結合された第３のノズル構成要素７６を含み得る。存在する場合、第３のノズル構成要素７６は、第３のノズル７８を画定する。一実施形態において、図２に最もよく示されたように、第３のノズル構成要素７６は、ノズルブロック３４と一体型（すなわち、ワンピース）である。別の実施形態において、以下にさらに詳細に説明するように、第３のノズル構成要素７６は、ノズルブロック３４と別個であり得る（すなわち、一体型ではないことがあり得る）。

【0034】

第３のノズル７８は、第３の幾何学的構成を有する。第３の幾何学的構成は、収束型構成、発散型構成、またはデラバル収束－発散型構成であり得る。典型的には、第３の幾何学的構成は、図５及び図６Ｃに示されたようにデラバル構成である。第３の幾何学的構成がデラバル構成であるとき、第３のノズル７８は、第３の作動流体入口８０と、第３の収束部８２と、第３の発散部８４と、第３の発散部８４から第３の収束部８２を分離する第３のスロート部８６と、第３の作動流体出口８８と、を有することができる。図７Ｃに示されたように、第３のノズル７８の最小断面積は、第３のスロート断面積９０と呼ばれる。第１の作動流体入口４４、第１の収束部４６、第１の発散部４８、第１のスロート部５０、及び第１の作動流体出口５２の説明は、第３の作動流体入口８０、第３の収束部８２、第３の発散部８４、第３のスロート部８６、及び第３の作動流体出口８８にも適用されることが推察されるべきである。

【0035】

第３のノズル７８の第３の幾何学的構成は、存在する場合、第１及び第２のノズル４２、６０の第１及び第２の幾何学的構成のうちの少なくとも１つと異なる。いくつかの実施形態において、第３の幾何学的構成は、第１及び第２の幾何学的構成のうちの少なくとも１つとは異なるタイプの構成であり得る。例えば、第１の幾何学的構成は、収束型構成であり得、第２の幾何学的構成はデラバル構成であり得、第３の幾何学的構成はデラバル構成であり得る。他の実施形態において、図５に示されたように、第１、第２、及び第３の幾何学的構成は、同じタイプの構成であり得るが、互いに異なる対応する部分を有することができる。例えば、第１、第２、及び第３の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第３のノズル７８の第３の作動流体入口８０、第３の収束部８２、第３の発散部８４、第３のスロート部８６、第３の発散部８４及び第３の作動流体出口８８のうちの少なくとも１つは、第１のノズル４２の対応する第１の作動流体入口４４、第１の収束部４６、第１の発散部４８、第１のスロート部５０、及び第１の作動流体出口５２及び／または第２のノズル６０の第２の作動流体入口６２、第２の収束部６４、第２の発散部６６、第２のスロート部６８、及び第２の作動流体出口７０とは異なる。

【0036】

いくつかの実施形態において、第１、第２、及び第３の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第３のスロート断面積９０は、第１及び第２のスロート断面積５４、７２のうちの少なくとも１つとは異なる。他の実施形態において、第１、第２、及び第３の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第１、第２、及び第３のスロート断面積５４、７２、９０は、図７Ａ～図７Ｃに示されたように互いに異なる。

【0037】

ノズルの幾何学的構成が互いに異なる場合、タービンブレード２８を回転させる前に作動流体が通過することができるノズルの組み合わせの数は２^ｎ－１であり、ここでｎはノズルアセンブリ３２内に含まれたノズルの数である。

【0038】

第１、第２、及び第３の幾何学的構成が互いに異なる場合、作動流体は、作動流体圧力及び質量流量に基づいてタービンブレード２８を回転させる前に、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８の７つの異なる組み合わせを通過することができる。具体的には、作動流体は第１のノズル４２のみ、第２のノズル６０のみ、第３のノズル７８のみ、第１及び第２のノズル４２、６０のみ、第１及び第３のノズル４２、７８のみ、第２及び第３のノズル６０、７８のみ、及び第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８を通過することができる。

【0039】

第１、第２、及び第３の幾何学的構成がデラバル構成であり、第１、第２、及び第３のスロート断面積５４、７２、９０が互いに異なる場合、作動流体の速度が第１、第２、及び第３のスロート部５０、６８、８６でチョークされるかどうかは、上述のように、第１、第２、及び第３のスロート断面積５４、７２、９０及び作動流体圧力及び質量流量によって決定される。第１、第２、及び第３のスロート断面積５４、７２、９０は異なるので、作動流体圧力及び質量流量は、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８のうちの１つが作動流体を超音速に加速するのに適している可能性があり、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８のうちの他の１つは適していない可能性がある。さらに、ＩＣＥの作動中、廃熱回収システム２０によって回収された熱は、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８の異なる組み合わせが作動流体を超音速に加速することができるように作動流体圧力及び質量流量を変化させることができる。このようにして、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８は、廃熱回収システム２０の作動範囲を拡大させる。具体的には、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８は、特定の作動流体圧力に対して廃熱回収システム２０が作動し得る作動流体質量流量の範囲を拡大させる。これは有利に、以下でさらに詳細に説明するるように、廃熱回収システム２０は、より広い範囲のＩＣＥ作動状態に対して最大サイクル効率及び動力出力を維持することを可能にする。

【0040】

図２に示して上述したように、第３のノズル構成要素７６は、ノズルブロック３４と一体型であり得る。他の実施形態において、第３のノズル構成要素７６は、例えば、熔接によってノズルブロック３４に固定され得る。図８及び図９に示されたように、さらに他の実施形態において、第３のノズル構成要素７６は、ノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。第３のノズル構成要素７６がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、ノズルブロックは、第３のノズル構成要素７６を選択的に受容するための第３のボア９２を画定することができる。このようにして、第３のノズル構成要素７６は、第３のボア９２内に選択的に配置され得る。

【0041】

第３のノズル構成要素７６がノズルブロック３４に取り外し可能に結合される場合、第３のノズル構成要素７６は、ねじ山を含み得る。ノズルブロック３４はまた、第３のノズル構成要素７６がノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得るようにねじ山を含み得る。他の実施形態において、第３のノズル構成要素７６は、中間ばめまたは締まりばめによってノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。

【0042】

いくつかの実施形態において、第３のノズル構成要素７６がノズルブロック３４に取り外し可能に結合される場合、ノズルブロック３４の少なくとも一部は、図８及び図９に示されたように第３のノズル７８とタービンブレード２８との間に配置される。他の実施形態において、ノズルブロック３４は、全体的に第３のノズル７８とタービンブレード２８との間に配置される。いくつかの実施形態において、ノズルブロック３４のいかなる部分も第３のノズル７８とタービンブレード２８との間に配置されない。

【0043】

いくつかの実施形態において、第１、第２、及び第３のノズル構成要素４０、５８、７６は、長手方向軸Ａの周りに円周方向に離隔され得る。他の実施形態において、第１、第２、及び第３のノズル構成要素４０、５８、７６は、長手方向軸Ａの周りに等間隔で円周方向に離隔され得る。

【0044】

再び図２を参照すると、ノズルアセンブリ３２はまた、作動流体を加速するためにノズルブロック３４に結合された第４のノズル構成要素９４を含み得る。存在する場合、第４のノズル構成要素９４は、第４のノズル９６を画定する。一実施形態において、図２に最もよく示されたように、第４のノズル構成要素９４は、ノズルブロック３４と一体型（すなわち、ワンピース）である。別の実施形態において、以下にさらに詳細に説明するように、第４のノズル構成要素９４は、ノズルブロック３４と別個であり得る（すなわち、一体型ではないことがあり得る）。

【0045】

第４のノズル９６は、第４の幾何学的構成を有する。第４の幾何学的構成は、収束型構成、発散型構成、またはデラバル（収束－発散型）構成であり得る。典型的には、第４の幾何学的構成は、図５及び図６Ｄに示されたようにデラバル構成である。第４の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第４のノズル９６は、第４の作動流体入口９８と、第４の収束部１００と、第４の発散部１０２と、第４の発散部１０２から第４の収束部１００を分離する第４のスロート部１０４と、第４の作動流体出口１０６と、を有することができる。図７Ｃに示されたように、第４のノズル９６の最小断面積は、第４のスロート断面積１０８と呼ばれる。第１の作動流体入口４４、第１の収束部４６、第１の発散部４８、第１のスロート部５０、及び第１の作動流体出口５２の説明は、第４の作動流体入口９８、第４の収束部１００、第４の発散部１０２、第４のスロート部１０４、及び第４の作動流体出口１０６にも適用されることが推察されるべきである。

【0046】

第４のノズル９６の第４の幾何学的構成は、存在する場合、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８の第１、第２、及び第３の幾何学的構成のうちの少なくとも１つと異なる。いくつかの実施形態において、第４の幾何学的構成は、第１、第２、及び第３の幾何学的構成のうちの少なくとも１つと異なるタイプの構成であり得る。例えば、第１の幾何学的構成は収束型構成であり得、第２の幾何学的構成はデラバル構成であり得、第３の幾何学的構成はデラバル構成であり得、第４の幾何学的構成は発散型構成であり得る。他の実施形態において、図５に示されたように、第１、第２、第３、及び第４の幾何学的構成は、同じタイプの構成であり得るが、互いに異なる対応する部分を有することができる。例えば、第１、第２、第３、及び第４の幾何学的構成がデラバル構成であるとき、第４のノズル９６の第４の作動流体入口９８、第４の収束部１００、第４の発散部１０２、第４のスロート部１０４、及び第４の作動流体出口１０６のうちの少なくとも１つは、第１のノズル４２の対応する第１の作動流体入口４４、第１の収束部４６、第１の発散部４８、第１のスロート部５０、及び第１の作動流体出口５２、第２のノズル６０の第２の作動流体入口６２、第２の収束部６４、第２の発散部６６、第２のスロート部６８、及び第２の作動流体出口７０、及び／または第３のノズル７８の第３の作動流体入口８０、第３の収束部８２、第３の発散部８４、第３のスロート部８６、及び第３の作動流体出口８８とは異なる。

【0047】

いくつかの実施形態において、第１、第２、第３、及び第４の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第４のスロート断面積１０８は、第１、第２、及び第３のスロート断面積５４、７２、９０のうちの少なくとも１つと異なる。他の実施形態において、第１、第２、第３、及び第４の幾何学的構成がデラバル構成である場合、第１、第２、第３、及び第４のスロート断面積５４、７２、９０、１０８は、図７Ａ～図７Ｄに示されたように互いに異なる。

【0048】

第１、第２、第３、及び第４の幾何学的構成が互いに異なる場合、作動流体は、作動流体圧力及び質量流量に基づいてタービンブレード２８を回転させる前に、第１、第２、第３、及び第４のノズル４２、６０、７８、９６の１５個の異なる組み合わせを通過することができる。具体的には、作動流体は、第１のノズル４２のみ、第２のノズル６０のみ、第３のノズル７８のみ、第４のノズル９６のみ、第１及び第２のノズル４２、６０のみ、第１及び第３のノズル４２、７８のみ、第１及び第４のノズル４２、９６のみ、第２及び第３のノズル６０、７８のみ、第２及び第４のノズル６０、９６のみ、第３及び第４のノズル７８、９６のみ、第１、第２、及び第３のノズル４２、６０、７８のみ、第１、第２、及び第４のノズル４２、６０、９６のみ、第１、第３、及び第４のノズル４２、７８、９６のみ、第２、第３、及び第４のノズル６０、７８、９６のみ、及び第１、第２、第３、及び第４のノズル４２、６０、７８、９６を通過することができる。

【0049】

第１、第２、第３、及び第４の幾何学的構成がデラバル構成であり、第１、第２、第３、及び第４のスロート断面積５４、７２、９０、１０８が互いに異なるとき、作動流体の速度が第１、第２、第３、及び第４のスロート部５０、６８、８６、１０４でチョークされるかどうかは、上述のように、第１、第２、第３、及び第４のスロート断面積５４、７２、９０、１０８及び作動流体圧力及び質量流量によって決定される。第１、第２、第３、及び第４のスロート断面積５４、７２、９０、１０８が異なるので、作動流体圧力及び質量流量は、第１、第２、第３、及び第４のノズル５４、７２、９０、１０８のうちの１つが作動流体を超音速に加速するために適している可能性があり、第１、第２、第３、及び第４のノズル５４、７２、９０、１０８のうちの他の１つは適していない可能性がある。さらに、ＩＣＥの作動中、廃熱回収システム２０によって回収された熱は、第１、第２、第３、及び第４のノズル４２、６０、７８、９６の異なる組み合わせが作動流体を超音速に加速することができるように作動流体圧力及び質量流量を変化させることができる。このようにして、第１、第２、第３、及び第４のノズル４２、６０、７８、９６は、廃熱回収システム２０の作動範囲を拡大させる。具体的には、第１、第２、第３、及び第４のノズル４２、６０、７８、９６は、特定の作動流体圧力に対して廃熱回収システム２０が作動し得る作動流体質量流量の範囲を拡大させる。これは有利に、以下でさらに詳細に説明するるように、廃熱回収システム２０は、より広い範囲のＩＣＥ作動状態に対して最大サイクル効率及び動力出力を維持することを可能にする。

【0050】

図２に示して上述したように、第４のノズル構成要素９４は、ノズルブロック３４と一体型であり得る。他の実施形態において、第４のノズル構成要素９４は、例えば、熔接によってノズルブロック３４に固定され得る。図８及び図９に示されたように、さらに他の実施形態において、第３のノズル構成要素７６は、ノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。第４のノズル構成要素９４がノズルブロック３４に取り外し可能に結合される場合、ノズルブロック３４は、第３のノズル構成要素７６を選択的に受容するための第４のボア１１０を画定することができる。このようにして、第４のノズル構成要素９４は、第４のボア１１０内に選択的に配置され得る。

【0051】

第４のノズル構成要素９４がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、第４のノズル構成要素９４は、ねじ山を含み得る。ノズルブロック３４はまた、第４のノズル構成要素９４がノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得るようにねじ山を含み得る。他の実施形態において、第４のノズル構成要素９４は、中間ばめまたは締まりばめによってノズルブロック３４に取り外し可能に結合され得る。

【0052】

いくつかの実施形態において、第４のノズル構成要素９４がノズルブロック３４に取り外し可能に結合されるとき、ノズルブロック３４の少なくとも一部は、図８及び図９に示されたように第４のノズル９６とタービンブレード２８との間に配置される。他の実施形態において、ノズルブロック３４は、第４のノズル９６とタービンブレード２８との間に全体的に配置される。いくつかの実施形態において、ノズルブロック３４のいかなる部分も、第４のノズル９６とタービンブレード２８との間に配置されない。

【0053】

いくつかの実施形態において、第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素４０、５８、７６、９４は、長手方向軸Ａの周りに円周方向に離隔され得る。他の実施形態において、図４に示すように、第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素４０、５８、７６、９４は、長手方向軸Ａの周りに等間隔で円周方向に離隔され得る。

【0054】

ノズルアセンブリ３２は、任意の数の追加のノズル構成要素をさらに含むことができ、第１のノズル構成要素４０に関する説明は任意の追加のノズル構成要素に適用可能であることが推察されるべきである。さらに、追加のノズル構成要素によって画定された任意のノズルの任意の幾何学的構成は、ノズルアセンブリ内に含まれたノズルのうちの少なくとも１つと異なることが推察されるべきである。このようにして、廃熱回収システム２０の作動範囲は、本明細書で説明された第１、第２、第３、及び／または第４のノズル構成要素４０、５８、７６、９４を超過する追加のノズル構成要素を含めることによってさらに拡大され得る。例えば、ノズルアセンブリ３２は、５個、６個、７個、または８個のノズル構成要素を含み得る。しかしながら、ノズルアセンブリ３２は、８個超過のノズル構成要素を有することができることが推察されるべきである。

【0055】

図２及び図３に示されたように、タービン膨張機２２は、タービンハウジング１１２を含み得る。タービンハウジング１１２が存在する場合、タービンブレード２８は、タービンハウジング１１２内に配置され得る。

【0056】

図１を再び参照すると、廃熱回収システム２０は、作動流体をタービン膨張機２２内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの少なくとも１つに導くために、またはタービン膨張機２２をバイパスするようにタービン膨張機２２と流体連通する流量制御装置２４を含む。流量制御装置２４は、バルブ、または任意の他の適している作動流体流量制御装置であり得る。流量制御装置２４は、典型的には、タービン膨張機２２の上流に配置される。

【0057】

いくつかの実施形態において、流量制御装置２４は、タービン膨張機２２内に含まれた各ノズルに対応する複数のバルブを含み得る。例えば、タービン膨張機２２が２つのノズルを含む場合、流量制御装置２４は２つのバルブを含む。各バルブは、作動流体が対応するノズルに流れることができる開位置と、作動流体が対応するノズルに流れるのが制限される閉位置との間で移動可能である。流量制御装置２４がタービン膨張機内に含まれた各ノズルに対応する複数のバルブを含む場合、流量制御装置２４はまた、作動流体がタービン膨張機２２をバイパスさせるバイパスバルブを含み得る。他の実施形態において、流量制御装置は、作動流体をタービン膨張機２２内に含まれたノズルのうちの１つ以上のノズルに選択的に導くか、またはタービン膨張機２２をバイパスするのに適しているスイッチングバルブを含み得る。流量制御装置２４の任意のバルブは、閉位置、開位置、及び作動流体の流れが測定される中間位置の間で移動可能であることが推察されるべきである。

【0058】

図１を引き続き参照すると、廃熱回収システム２０は、流量制御装置２４と通信し、作動流体をタービン膨張機２２内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの少なくとも１つに導くように、またはタービン膨張機２２をバイパスするように流量制御装置２４を制御するのに適しているコントローラ２６を含む。

【0059】

コントローラ２６は、流量制御装置２４の作動を制御するためにメモリ内に格納された命令を処理するための１つ以上のプロセッサ、またはマイクロプロセッサを含み得る。そのような命令は、コントローラ２６によって実行される本明細書で説明された機能、アルゴリズムまたは技術のうちのいずれであり得る。追加または代替的に、コントローラ２６は、本明細書で説明された機能を実行することができる１つ以上のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、チップ上のシステム、ディスクリート回路、及び／または他の適切なハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアを含み得る。

【0060】

典型的には、作動流体は、水－スチーム相変化よりも低い温度で生じる液体－蒸気相変化を有する有機高分子量作動流体である。作動流体は、エタノール、メタノール、ケロシン、ガソリン、ディーゼル、プロパノール、ブタノール、水、ベンゼン、トルエン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセトン、または液体水素のうちの少なくとも１つを含み得る。廃熱回収システムの作動中、作動流体は液体状態または蒸気状態のうちの１つにある。蒸気状態では、作動流体はタービンブレードを回転させるのにより適している。

【0061】

図１に示されたように、廃熱回収システム２０はまた、流量制御装置２４及びタービン膨張機２２と流体連通する蒸発器１１４を含み得る。蒸発器１１４は、ＩＣＥによって廃棄された熱を作動流体に伝達し、作動流体が液体状態から蒸気状態に相変化させる。存在する場合、蒸発器１１４は、流量制御装置２４の上流に配置される。

【0062】

廃熱回収システム２０はまた、タービン膨張機２２及び流量制御装置２４と流体連通する凝縮器１１６を含み得る。凝縮器１１６は、作動流体がタービン膨張機２２を通過した後に作動流体を蒸気状態から液体状態に凝縮させる。凝縮器１１６は、タービン膨張機２２の下流に配置される。いくつかの実施形態において、廃熱回収システム２０が蒸発器１１４を含む場合、凝縮器１１６は、タービン膨張機２２の下流及び蒸発器１１４の上流に配置される。

【0063】

廃熱回収システム２０は、コントローラ２６と通信する少なくとも１つのセンサ１１８をさらに含み得る。少なくとも１つのセンサ１１８は、作動流体の特性を検出するのに適している。存在する場合、少なくとも１つのセンサ１１８は、流量制御装置２４及びタービン膨張機２２の上流に配置され、作動流体が流量制御装置２４を通過する前に少なくとも１つのセンサ１１８が作動流体の特性を検出することができる。図１に示されたように、蒸発器１１４が廃熱回収システム２０内に含まれるとき、少なくとも１つのセンサ１１８は、流量制御装置２４の上流及び蒸発器１１４の下流に配置される。しかしながら、少なくとも１つのセンサ１１８は、蒸発器１１４の上流にまたは作動流体の特性を検出するのに適している任意の他の位置に配置され得る。少なくとも１つのセンサ１１８は、さらに、少なくとも１つのセンサ１１８によって検出された作動流体の特性を示す信号をコントローラ２６に送信するのに適している。少なくとも１つのセンサ１１８によって検出された作動流体の特性は、作動流体圧力、作動流体質量流量、作動流体温度、作動流体品質、及びそれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのセンサ１１８は、作動流体温度及び作動流体圧力を検出する。

【0064】

いくつかの実施形態において、少なくとも１つのセンサ１１８は、２つのセンサであり得る。少なくとも１つのセンサ１１８が２つのセンサであるとき、各センサは上述の作動流体の特性のうちの１つを検出することができる。代替的に、各センサは、上述の作動流体の特性の組み合わせを検出することができる。いくつかの実施形態において、一方のセンサは作動流体温度を検出し、他方のセンサは作動流体圧力を検出する。

【0065】

廃熱回収システム２０の最大サイクル効率及び動力出力を確保するために、作動流体がタービンブレード２８を回転させる前に通過する第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６の組み合わせは、作動流体圧力及び作動流体質量流量の関数に基づく。上述のように、ＩＣＥによって廃棄された熱は、廃熱回収システム２０によって回収されて作動流体を加熱し、作動流体が液体－蒸気相変化をすることになる。ＩＣＥによって廃棄された熱は、ＩＣＥの速度及び負荷（すなわち、作動状態）に基づいて変化する。このように、ＩＣＥの特定の作動状態（例えば、始動、加速など）において、ＩＣＥによって廃棄され、廃熱回収システム２０によって回収された熱は、廃熱回収システム２０の最大サイクル効率及び動力出力が維持されるべきである場合には、第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの１つ以上のノズルに適していない作動流体圧力を提供することができる。後述するように、少なくとも１つのセンサ１１８は、コントローラ２６と通信して流体をタービン膨張機２２内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの少なくとも１つに導き、ＩＣＥの作動状態のより広い範囲にわたって廃熱回収システム２０の最大サイクル効率及び動力出力を確保する。

【0066】

少なくとも１つのセンサ１１８が廃熱回収システム２０内に含まれるとき、コントローラ２６は、少なくとも１つのセンサ１１８によって検出された作動流体の特性に基づいて作動流体をタービン膨張機２２内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの少なくとも１つに導くように、またはタービン膨張機２２をバイパスするように流量制御装置２４を制御するように適合され得る。一実施形態において、コントローラ２６が少なくとも１つのセンサ１１８によって検出された作動流体の特性を示す信号を受信するとき、コントローラ２６は、作動流体の検出された特性をタービン膨張機内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６の各々の幾何学的構成に対応する閾値と比較することができる。作動流体の検出された特性を閾値（複数）と比較した後、コントローラは、次に、流量制御装置２４を制御して作動流体を、作動流体の検出された特性が対応する閾値（複数）を超える第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のそれぞれに導く。コントローラ２６が対応する閾値（複数）が作動流体の検出された特性によって超えていないと判定した場合には、コントローラ２６は、流量制御装置２４を制御して作動流体がタービン膨張機２２をバイパスするように導く。このようにして、第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６の異なる幾何学的構成は、有利には、作動流体を作動流体圧力、質量流量、温度などのより広い範囲で超音速に加速することによって廃熱回収システム２０の作動範囲を拡大させる。また、作動流体圧力及び／または質量流量がＩＣＥの作動中に変化することにより、廃熱回収システム２０は有利にはタービンブレード２８への作動流体の流れの漸進的な増加を可能にする。

【0067】

例えば、ＩＣＥの始動中、作動流体質量流量は、ＩＣＥによって廃棄された熱の作動流体への最大伝達を確保するために低くなっていてよい。廃熱回収システム２０の最大サイクル効率及び動力出力を確保するために、作動流体圧力は、典型的に、エンジンが定常作動状態などの他の作動状態にあるときよりも高い値を有するであろう。作動流体圧力のより高い値に基づいて、コントローラ２６は、流量制御装置２４を制御して作動流体を小さなスロート断面積を有する第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６うちの少なくとも１つに導くであろう。

【0068】

別の実施例において、加速中に、ＩＣＥによって廃棄された熱は絶えず変化する。廃熱回収システム２０の最大サイクル効率及び動力出力を確保するために、コントローラ２６は、流量制御装置２４を制御して作動流体を第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの１つ、２つ、３つ、及び／または４つのノズルに導き、作動流体圧力が比較的一定に維持される一方、ＩＣＥによって廃棄された熱は変化する。言い換えれば、作動流体が導かれるノズルの数は、ＩＣＥによって廃棄された熱が変化するにつれて変化し得る。

【0069】

いくつかの実施形態において、少なくとも１つのセンサ１１８は、タービン膨張機２２の上流の作動流体の作動流体温度及び作動流体圧力のうちの少なくとも１つを検出するように適合され得る。コントローラ２６は、少なくとも１つのセンサ１１８によって検出された作動流体質量流量及び作動流体圧力のうちの少なくとも１つに基づいて作動流体をタービン膨張機２２内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル４２、６０、７８、９６のうちの少なくとも１つに導くように、またはタービン膨張機２２をバイパスするように、流量制御装置２４を制御することができる。

【0070】

再び図１を参照すると、廃熱回収システム２０はまた、作動流体を循環させるための作動流体回路１２０を含み得る。作動流体回路１２０は、タービン膨張機２２、流量制御装置２４、蒸発器１１４、及び／または凝縮器１１６を流体結合する。作動流体回路１２０は、複数の流体導管を含み得る。

【0071】

図１０及び図１１に示されたように、作動流体回路１２０が複数の流体導管を含む場合、タービン膨張機２２は、流体導管のうちの１つをタービン膨張機２２内に含まれた第１、第２、第３、及び／または第４のノズル構成要素４０、５８、７６、９４のそれぞれに取り外し可能に結合するための１つ以上の流体カプラ１２２を含み得る。

【0072】

いくつかの実施形態において、作動流体回路１２０は、流量制御装置２４を凝縮器１１６に直接流体結合するバイパスループを含むことができるので、タービン膨張機２２を通る作動流体の通過を回避することができる。

【0073】

再び図１を参照すると、廃熱回収システム２０はまた、１つ以上の速度で廃熱回収システム２０を通じて作動流体流量を調整するのに適合されたポンプ１２４を含み得る。ポンプ１２４は、ピストンポンプまたはダイアフラムポンプのような任意の適切なポンプであり得る。いくつかの実施形態において、廃熱回収システム２０が蒸発器１１４及び凝縮器１１６を含むとき、ポンプ１２４は蒸発器１１４の上流及び凝縮器１１６の下流に配置され得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのセンサ１１８が存在する場合、ポンプ１２４はコントローラ２６と通信することができ、コントローラ２６はポンプ１２４を制御して少なくとも１つのセンサ１１８によって検出された作動流体の特性に基づいて作動流体流量を調整することができる。

【0074】

車両は、本明細書で説明された廃熱回収システム２０を含み得る。いくつかの実施形態において、タービン膨張機２２のシャフト３０は発電機に結合され得る。シャフト３０が発電機に結合される場合、ＩＣＥによって生成された廃熱は、車両によって貯蔵または使用され得る電力に変換され得る。

【0075】

本発明は、例示的に説明されており、使用された用語は限定するよりも説明する性格を持つものと意図していることを理解すべきであろう。本発明の多くの修正及び変形が上記の教示を照らし合わせて可能であり、本発明は、具体的に説明されたものとは異なった方法により実施することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2023-12-21

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体に基づいて動力を出力する廃熱回収システムのためのタービン膨張機において、
前記作動流体によって回転可能なタービンブレードと、
前記タービンブレードに結合され、前記タービンブレードによって回転可能なシャフトであって、長手方向軸に沿って延びるシャフトと、
前記作動流体を前記タービンブレードへと導いて、前記タービンブレードを回転させるためのノズルアセンブリであって、
前記シャフトの周りに、前記タービンブレードに隣接して配置されたノズルブロックと、
前記ノズルブロックに結合された、前記作動流体を加速させるための第１のノズル構成要素であって、第１の幾何学的構成を有する第１のノズルを画定するノズル構成要素と、
前記ノズルブロックに結合された、前記作動流体を加速させるための第２のノズル構成要素であって、前記第１の幾何学的構成とは異なる第２の幾何学的構成を有する第２のノズルを画定する第２のノズル構成要素と
を含むノズルアセンブリと、
を含むタービン膨張機。

【請求項2】

前記第１のノズルの前記第１の幾何学的構成は第１のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第２のノズルの前記第２の幾何学的構成は、前記第１のスロート断面積とは異なる第２のスロート断面積を有するデラバル構成である、請求項１に記載のタービン膨張機。

【請求項3】

前記ノズルアセンブリは、前記ノズルブロックに結合された、前記作動流体を加速させるための第３のノズル構成要素であって、前記第１及び第２の幾何学的構成のうちの少なくとも一方とは異なる第３の幾何学的構成を有する第３のノズルを画定する第３のノズル構成要素をさらに含む、請求項１及び２の何れか１項に記載のタービン膨張機。

【請求項4】

前記ノズルアセンブリは、前記ノズルブロックに結合された、前記作動流体を加速させるための第４のノズル構成要素であって、前記第１、第２の幾何学的構成のうちの少なくとも一方及び第３の幾何学的構成とは異なる第４の幾何学的構成を有する第４のノズルを画定する第４のノズル構成要素をさらに含む、請求項３に記載のタービン膨張機。

【請求項5】

前記第１のノズルの前記第１の幾何学的構成は第１のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第２のノズルの前記第２の幾何学的構成は第２のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第３のノズルの前記第３の幾何学的構成は第３のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第４の幾何学的構成は第４のスロート断面積を有するデラバル構成であり、前記第１、第２、第３、及び第４のスロート断面積はそれぞれ異なる、請求項４に記載のタービン膨張機。

【請求項6】

前記第１及び第２のノズル構成要素は前記長手方向軸の周りに円周方向に離隔される、請求項１～５の何れか１項に記載のタービン膨張機。

【請求項7】

前記第１、第２、第３、及び第４のノズル構成要素は前記長手方向軸の周りに円周方向に離隔される、請求項５及び６の何れか１項に記載のタービン膨張機。

【請求項8】

前記第１及び第２のノズル構成要素は前記ノズルブロックと一体である、請求項１～７の何れか１項に記載のタービン膨張機。

【請求項9】

前記ノズルブロックはさらに、第１のボアと第２のボアを画定し、前記第１のノズル構成要素は前記ノズルブロックに取り外し可能に結合されて、前記第１のノズル構成要素は前記第１のボアの中に選択的に配置され、前記第２のノズル構成要素は前記ノズルブロックに取り外し可能に結合されて、前記第２のノズル構成要素は前記第２のボアの中に選択的に配置される、請求項１～８の何れか１項に記載のタービン膨張機。

【請求項10】

内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムにおいて、
請求項１～９の何れか１項に記載の前記タービン膨張機と、
前記タービン膨張機と流体連通する、前記作動流体を前記第１及び第２のノズルのうちの少なくとも一方へと、又は前記タービン膨張機をバイパスするように導くための流量制御装置と、
前記流量制御装置と通信し、前記流量制御装置を制御して、前記作動流体を前記第１及び第２のノズルのうちの少なくとも一方へと、又は前記タービン膨張機をバイパスするように導くようになされるコントローラと、
を含む廃熱回収システム。

【請求項11】

前記タービン膨張機の上流の前記作動流体の作動流体温度及び作動流体圧力のうちの少なくとも一方を検出するようになされた少なくとも１つのセンサをさらに含む、請求項１０に記載の廃熱回収システム。

【請求項12】

前記コントローラは、前記流量制御装置を制御して、前記少なくとも１つのセンサにより検出された前記作動流体温度及び前記作動流体圧力のうちの少なくとも一方に基づいて、前記作動流体を前記第１及び第２のノズルのうちの少なくとも一方へと、又は前記タービン膨張機をバイパスするように導く、請求項１１に記載の廃熱回収システム。

【請求項13】

作動流体に基づいて動力を出力する廃熱回収システムのためのタービン膨張機において、
前記作動流体によって回転可能なタービンブレードと、
前記タービンブレードに結合され、前記タービンブレードによって回転可能なシャフトと、
前記作動流体を前記タービンブレードへと導いて、前記タービンブレードを回転させるためのノズルアセンブリであって、
前記シャフトの周りに、前記タービンブレードに隣接して配置されたノズルブロックであって、第１のボアを画定するノズルブロックと、
前記ノズルブロックに取り外し可能に結合されて、前記ボアの中に選択的に配置されて前記作動流体を加速させるためのノズル構成要素であって、ノズルを画定するノズル構成要素と、
を含むノズルアセンブリと、
を含み、
前記ノズルブロックの少なくとも一部は前記ノズルと前記タービンブレードとの間に配置されるタービン膨張機。

【請求項14】

内燃機関の廃熱を回収するための廃熱回収システムにおいて、
作動流体に基づいて動力を出力するためのタービン膨張機であって、
前記作動流体によって回転可能なタービンブレードと、
前記タービンブレードに結合され、前記タービンブレードによって回転可能なシャフトであって、長手方向軸に沿って延びるシャフトと、
前記作動流体を前記タービンブレードに導いて、前記タービンブレードを回転させるためのノズルアセンブリであって、
前記シャフトの周りに、前記タービンブレードに隣接して配置されたノズルブロックであって、ボアを画定するノズルブロックと、
前記ノズルブロックに取り外し可能に結合されて、前記ボアの中に選択的に配置されて前記作動流体を加速させるためのノズル構成要素であって、ノズルを画定するノズル構成要素と、
を含むノズルアセンブリと、
を含むタービン膨張機と、
前記タービン膨張機と流体連通する、前記作動流体を前記ノズルへと、又は前記タービン膨張機をバイパスするように導くための流量制御装置と、
前記流量制御装置と通信し、前記流量制御装置を制御するようになされ、前記作動流体を前記ノズルへと、又は前記タービン膨張機をバイパスするように導くコントローラと、
を含む廃熱回収システム。

【請求項15】

前記ノズルブロックの少なくとも一部は前記ノズルと前記タービンブレードとの間に配置される、請求項１４に記載の廃熱回収システム。