KR20140041774A

KR20140041774A - 분리된 연소기 및 팽창기를 구비한 반등온 압축 엔진 및 관련된 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140041774A
Application number: KR1020147001480A
Authority: KR
Inventors: 스콧 알. 프레이저; 알렉스 라우; 브라이언 본 헤르젠
Original assignee: 브라이트 에너지 스토리지 테크놀로지스, 엘엘피
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-04-04
Also published as: JP2014522938A; EP2737183A4; CN103748323B; CN103748323A; EP2737183A2; CA2839949A1; US9551292B2; US20150176526A1; WO2013003654A3; WO2013003654A2

Abstract

반등온 압축 장치들을 구비한 시스템들을 포함하는 엔진 시스템들 및 관련된 방법들이 개시된다. 특정한 구현예에 따른 엔진 시스템은 압축기 입구 및 출구를 구비하는 압축기, 압축기 출구에 연결된 연소기 입구를 구비하고 연소기 출구를 더 구비하는 연소기, 연소기 출구에 연결된 팽창기 입구를 구비하고 팽창기 출구 및 일 출력 장치를 더 구비하는 용적형 팽창기를 포함한다. 밸브가 연소기로부터 팽창기로 통과하는 고온의 연소 생성물들의 유동을 조절하기 위하여 연소기와 팽창기 간에 연결되고, 배기 에너지 회수 장치는 팽창기에서 배출되는 연소 생성물들로부터 에너지를 추출하기 위하여 팽창기 출구에 연결된다.

Description

분리된 연소기 및 팽창기를 구비한 반등온 압축 엔진 및 관련된 시스템 및 방법{SEMI-ISOTHERMAL COMPRESSION ENGINES WITH SEPARATE COMBUSTORS AND EXPANDERS, AND ASSOCIATED SYSTEM AND METHODS}

관련된 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2011년 6월 28일에 출원된 미국 가출원 제61/502,308호 및 2011년 12월 12일에 출원된 미국 가출원 제61/569,691호에 대한 우선권을 주장하며, 양 출원 모두 여기에 참조로서 포함된다. 선행 출원들 및/또는 여기에 참조로서 포함되는 어떠한 다른 내용들이 본 출원에서 제공된 개시와 상충되는 정도까지, 본 출원이 제어한다.

본 기술은 일반적으로 엔진에 관한 것이다. 특정 구현예들은 회생을 구비한 반등온 압축 엔진 및 용적형 팽창기로부터 분리된 연소기에 관한 것이다.

에너지 효율이 중요한 산업, 경제 및 심지어 가정 문제가 되어 가고 있는 세계에서, 동력 및 에너지 변환 시스템에서 그리고 특히 엔진에서 에너지 변환 효율을 고려하는 것은 중요하다. 엔진에 대한 기술의 현재 상태는 개루프 오토 사이클(Otto cycle), 디젤 사이클(Diesel cycle), 또는 브레이튼 열역학적 동력 사이클(Brayton thermodynamic power cycles)에 기초한 내연 엔진들에 의해 지배된다. 이러한 사이클들에 기초한 엔진들은, 통상적으로 자동차, 대형 트럭 및 항공기 터빈들 각각에 의해 대표되는 많은 적용예들에 충분히 효율적이다.

오토 사이클 및 디젤 사이클 엔진들은 주로 자동차용 내연 엔진들 및 다른 저가의 소비자 적용예들에서 적용을 위해 사용된다. 이러한 유형들의 엔진들은 규모의 경제로부터 기인하는 상대적으로 낮은 결과적인 단위 비용으로 다용도용으로 제작하기 위해, 충분히 효율적이고, 경량이고, 그리고 상대적으로 저비용이다.

내연 엔진들은 통상적으로 작동 유체로서 공기를 이용한다. 엔진의 열역학적 사이클에서 적합한 점들 및 시간들에 연료를 작동 유체로서 공기와 함께 주입하고 연소함으로써 연소열이 생성된다. 이것은 작동 유체가 팽창되어 일을 수행할 수 있게 한다. 많은 이유로 이러한 엔진들은 이론적인 한계보다 훨씬 더 적은 동력을 생산한다. 그러므로 동력을 변환하기 위한 수단으로서 이러한 유형의 엔진들에 대한 설계 및 효율을 개선하는데 많이 집중해왔다.

종래의 내연 엔진들과 관련된 문제들은 단지 대략 20%에서 40%의 통상적인 효율, 각각의 엔진 유형에 대한 특정한 연료 형태에 대한 요구, 및 온실 가스 및 다른 대기 오염물질들의 상당한 배출을 포함한다. 효율에 있어 한계에 대한 몇 가지 이유들이 압축, 연소 및 팽창이 모두 동일한 체적에서 발생한다는 사실에서 발견되었다. 이러한 엔진들에서 타이밍, 연료 공급, 점화, 및 작동 유체의 본질적인 불완전 팽창의 예측불허 변화로 이러한 시스템들의 열역학적 사이클들은 하나의 체적 내에서 최적화하기 매우 어렵다.

엔진에 대한 이상적인 열역학적 모델은 카르노 사이클(Carnot cycle)이지만, 그것의 효율은 실제적인 엔진 시스템들에서 달성할 수 없다. 등온 압축 또는 팽창에 기초한 열역학적 엔진 사이클들이 고효율의 최고의 가능성을 갖는다. 불행하게도, 적합한 등온 압축 또는 팽창은 복잡하고 큰 열교환기들에 의존하지 않고는, 그리고/또는 직접적인 접촉 열교환 유체들의 상당한 양을 공정 유동에 주입하지 않고는 실제적인 조건들 하에서 달성되기 어려우며, 또한 그것들은 복잡성을 추가하고 손실을 증가시킬 수 있다. 진정한 등온 압축 또는 팽창은 카르노 사이클 자체와 함께 이론의 영역에 남아 있다.

본 기술은 상기 문제들이 동력 생산, 저장 및 사용의 분야에 속하는 바와 같이 엔진의 측면에서 상기 문제들에 집중한다.

본 발명은 분리된 연소기 및 팽창기를 구비한 반등온 압축 엔진 및 관련된 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기에서 개시된 기술의 몇 가지 비제한적인 구현예들이 아래에 요약된다. 본 기술의 제1 양태에 따른 구현예는 제1 유체를 압축하도록 동작 가능하게 구성된 냉각된 압축기를 포함하는 엔진; 압축된 제1 유체를 수용하고 가열하도록 동작 가능하게 구성된 압축 유체 히터; 압축 유체 히터로부터 가열 압축된 제1 유체를 제어 가능하게 수용하도록 동작 가능하게 구성된 용적형 팽창기; 및 압축기로부터 압축된 제1 유체를 수용하도록 동작 가능하게 구성된 회수기를 포함하되, 회수기는 압축된 제1 유체를 예열할 수 있고, 예열 압축된 제1 유체를 압축 유체 히터로 공급할 수 있다. 제1 유체는, 공기를 포함하지만 한정되지는 않는, 기체가 될 수 있고, 압축 유체 히터는 제1 유체가 열을 생성하기 위하여 연소되는 연소기일 수 있다.

압축기는 제1 복수의 압축 단들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 인터쿨러가 두 개의 연속적인 압축 단 간에 유체 연통하게 배치될 수 있으며, 두 개의 연속적인 압축 단 중에서 제1 단으로부터 압축된 제1 유체를 수용하고; 압축된 제1 유체를 냉각하고; 그리고 압축된 제1 유체를 두 개의 연속된 압축 단 중 제2 단으로 제공하도록 동작 가능하게 구성될 수 있다.

회수기는 압축된 제1 유체 및 제2 유체 간에 열 전달을 유지함으로써 압축된 제1 유체를 예열하기 위하여 구성될 수 있다. 제2 유체는 용적형 팽창기로부터의 배기 유체일 수 있다. 다른 구현예들에서, 열은 압축기 및/또는 외부 소스, 예를 들면, 태양열, 폐열, 또는 다른 외부 소스들로부터 회수될 수 있다.

용적형 팽창기는 왕복운동 팽창기 및 고온 흡기 밸브를 포함할 수 있다. 고온 흡기 밸브는 왕복운동 팽창기의 팽창 챔버 및 히터와 유체 연통하게 배치되며, 히터로부터 용적형 팽창기로 가열 압축된 제1 유체의 유입을 제어하도록 구성된다. 밸브는 전체 사이클의 임의의 시점 또는 위치에서 1200 K를 초과하는 온도들에서 동작 가능하다. 일부 구현예들에서, 밸브는 1400 K가 넘는 온도들, 예를 들면, 1600 K, 1700 K, 2000 K, 2400 K, 2800 K 또는 그 이상에서 동작 가능하다. 밸브는 고온 동작을 가능하게 하는 세라믹 코팅 동작 표면들 및/또는 다른 특징들을 구비할 수 있다. 밸브는 특정한 구현예들에서 회전(로터리) 밸브 그리고 다른 구현예들에서는 포핏 또는 다른 밸브일 수 있다.

또 다른 구현예들에서, 용적형 팽창기는 회전 팽창기 및 밸브 없는 포트를 포함할 수 있다. 회전 팽창기는 하나 이상의 회전 부재들을 구비할 수 있고 압축 유체 히터로부터의 가열 압축된 제1 유체를 제어 가능하게 수용하도록 동작 가능하게 구성될 수 있다.

연소기는 연속 연소기, 펄스 연소기, 및/또는 다른 적합한 연소기가 될 수 있다. 엔진은 하나 이상의 센서들, 하나 이상의 유동 조절 이펙터들, 및 센서(들) 및 조절 이펙터(들)을 모니터하고 제어하기 위하여 동작 가능하게 구성된 하나 이상의 마이크로컨트롤러들을 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(들)은 엔진에 의해 생산된 동력, 연료 공급률, 연료 소스, 운영자 제한사항들, 및 팽창기의 배기 특성들 중 적어도 하나를 변화시키도록 동작 가능하게 구성될 수 있다.

현재 개시된 기술의 다른 양태에 따른 연료로부터 동력을 생산하는 방법은 반등온으로 제1 유체를 압축하는 단계, 제2 유체로부터의 열을 사용하여 압축된 제1 유체를 예열하는 단계, 히터에서 압축된 제1 유체를 가열하는 단계, 용적형 팽창기에서 가열 압축된 제2 유체를 팽창시키는 단계, 및 히터로부터 용적형 팽창기로의 가열 압축된 제1 유체의 유입을 제어하는 단계를 포함한다. 반등온 압축은 복수의 압축 단들을 포함할 수 있으며, 압축된 제1 유체는 상기 복수의 압축 단들 중 바로 연속적인 압축 단들의 적어도 한 쌍 간에 중간 냉각될 수 있다.

제2 유체는 팽창 공정으로부터의 배기 유체일 수 있고 예열 공정은 제2 유체와 압축된 제1 유체 간의 열을 교환하는 단계를 포함할 수 있다. 히터로부터 용적형 팽창기로의 가열 압축된 제1 유체의 유입은, 예를 들면, 1400 K보다 높은, 상대적으로 고온에서 동작 가능한 고온 밸브로 제어될 수 있다.

현재 개시된 기술의 다른 양태에 따른 엔진 시스템은 압축된 제1 유체를 저장 압력으로 압축하도록 동작 가능하게 구성된 유체 저장 압축기를 더 포함한다. 엔진 시스템은 압축된 제1 유체를 저장 압력으로 저장하기 위한 고압 유체 저장 탱크 또는 다른 체적, 및 반등온 압축기와 회수기 간의 고압 유체 라인에 배치되는 방향 밸브를 더 포함할 수 있다. 방향 밸브는 (a) 압축된 제1 유체를 반등온 압축기로부터 회수기로 안내하는 단계, (b) 압축된 제1 유체를 냉각 압축기로부터 고압 유체 저장 압축기로 안내하는 단계, 및 (c) 압축된 제1 유체를 고압 유체 저장 탱크로부터 회수기로 안내하는 단계 중 선택하도록 동작 가능하게 구성될 수 있다. 또한, 유체 저장 압축기는 저장된 고압 제1 유체로부터 수용하기 위한 그리고 제1 유체를, 예를 들면, 제1 유체가 연소되거나 또는 그렇지 않으면 가열되기 전에, 팽창하기 위한 팽창기로서 작동할 수 있다.

현재 개시된 기술의 또 다른 양태에 따른 에너지를 변환하기 위한 방법은 제1 유체를 반등온으로 압축하는 단계, 및 압축된 제1 유체를 에너지 추출 공정 및 고압 저장 공정 중 하나를 선택 가능하게 행하는 단계를 포함한다. 에너지 추출 공정은 압축된 제1 유체를 제2 유체의 열을 이용하여 예열하는 단계, 제1 유체를 연소함으로써 압축된 제1 유체(또는 제1 유체와 연료의 혼합물)를 더 가열하는 단계, 열을 발생시키기 위하여, 회전, 왕복운동 또는 다른 용적형 팽창기에서 가열 압축된 제1 유체를 팽창시키는 단계, 및 히터로부터 용적형 팽창기로의 가열 압축된 제1 유체의 유입을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 고압 저장 공정은 제1 유체를 추가 압축하는 단계 및 제1 유체를 고압 유체 저장 탱크에 수집하는 단계를 포함할 수 있다.

현재 개시된 기술의 다른 양태에 따른 에너지를 변환하기 위한 방법은 제1 유체를 반등온으로 압축하는 단계, 반등온으로 압축된 제1 유체를 저장 압력으로 유체 저장 탱크 또는 다른 체적에 저장하는 단계, 및 가역(예를 들면, 사용자-재구성 가능한) 압축기/팽창기에서 일을 수행하기 위하여 압축된 제1 유체가 에너지 추출 공정 및 팽창 공정 중 하나를 선택 가능하게 행하는 단계를 포함한다. 에너지 추출 공정은 압축된 제1 유체를 제2 유체로부터의 열을 이용하여 예열하는 단계, 압축된 제1 유체를 더 가열하는 단계(예를 들어, 연소를 통해), 용적형 팽창기에서 가열 압축된 제1 유체를 더 팽창시키는 단계, 및 히터로부터 용적형 팽창기로의 가열 압축된 제1 유체의 유입을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 현재 개시된 기술에 따른 엔진의 구현예를 도시한다.
도 2는 현재 개시된 기술에 따른 엔진의 다른 구현예를 도시한다.
도 3은 현재 개시된 기술에 따른 엔진을 사용하여 에너지를 변환하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 4는 현재 개시된 기술의 구현예에 따른 에너지 변환 및 저장 시스템을 도시한다.
도 5는 현재 개시된 기술의 구현예에 따른 에너지를 변환하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 현재 개시된 기술의 구현예에 따른 에너지를 변환하기 위한 다른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 기술의 구현예에 따른 작동 유체를 압축하고/압축하거나 팽창시키도록 구성된 두 개의 엔진 블록을 도시한다.
도 8은 현재 개시된 기술에 사용된 회전 밸브를 도시한다.
도 9a는 본 기술의 구현예에 따른 회전 밸브를 구비한 팽창기의 일부분의 부분 도식적인, 등측도이다.
도 9b는 본 기술의 구현예에 따른 회전 밸브를 구비한 팽창기에 결합된 연소기를 포함하는 시스템의 부분 절개도이다.
도 9c는 도 9b에 도시된 연소기 및 팽창기의 구현예의 확대도이다.
도 9d는 본 기술의 구현예에 따른 회전 밸브의 두 개의 라이너에서 유동 통로들을 결합하기 위한 장치의 부분 도식적인, 절개도이다.
도 10a는 본 기술의 구현예에 따라 구성된 내부적으로 냉각되는 포핏 밸브의 부분 도식적인, 단면도이다.
도 10b는 본 기술의 구현예에 따른 플레어드 냉각 통로 출구를 구비한, 내부적으로 냉각되는 포핏 밸브의 부분 도식적인, 단면도이다.
도 10c는 본 기술의 구현예에 따른 다중 통로 출구를 갖는 내부 냉각 통로를 구비한 포핏 밸브의 부분 도식적인, 단면도이다.
도 10d는 현재 개시된 기술의 다른 구현예에 따른 외부 냉각 필름을 통해 냉각되는 포핏 밸브의 부분 도식적인, 단면도이다.
도 11a는 본 기술의 구현예에 따른 능동적으로 냉각된 표면들을 구비한 피스톤 및 실린더의 부분 도식적인 평면도이다.
도 11b는 도 11a에서 도시된 피스톤 및 실린더 구현예의 부분 도식적인, 측단면도이다.
도 11c는 냉각된 헤드 또는 밸브 하우징이 설치된, 도 11a에서 도시된 피스톤 및 실린더 구현예의 부분 도식적인, 측단면도이다.
도 12a는 본 기술의 구현예에 따라 압축기 및/또는 팽창기로서 작동하도록 구성된 회전 장치의 부분 도식적인, 부분 절개 등측도이다.
도 12b는 중간 단계 냉각 장치를 더 도시하는, 도 12a에서 도시된 압축기/팽창기 구현예의 부분 도식적인, 등측도이다.
도 13a는 본 기술의 구현예에 따른 표준 크기 컨테이너 내에 맞도록 구성된 엔진 시스템의 부분 도식적인 등측도이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 엔진 시스템의 부분 도식도이다.
도 13c는 현재 개시된 기술의 특정 구현예에 따른 컨테이너에 저장된 일련의 탱크의 부분 절개도이다.
도 13d는 본 기술의 구현예에 따른 엔진 시스템 및/또는 다중 탱크 배열을 저장하기 위한 다중 용기들을 도시한다.
도 14a-14c는 현재 개시된 기술에 따른 종래 엔진들 및 엔진 시스템들에 대한 예상되는 엔진 시스템 성능의 비교들을 도시한다.

현재 개시된 기술의 구현예들은, 열 회수와 함께 반등온 압축을 이용하는동안, 서브시스템 공정들을 분리하여 개선하기 위하여(예를 들면, 최적화하기 위하여) 히터, 팽창기 및 압축 서브시스템들을 분리하는 것과 관련된 이익들을 이용하는 엔진들을 포함한다. 결과는 비용 대비 매우 높은 효율을 구비하고/하거나 낮은 배기 수준 및 연료 요구사항들에서 좋은 정도를 구비한 엔진이 된다. 잘 알려진 그리고 자주 엔진 시스템들과 연관된, 그러나 현재 개시된 기술의 몇가지 중요한 양태들을 불필요하게 모호하게 할 수 있는 구조들 또는 공정들을 설명하는 몇 가지 세부사항들은 명확성을 위하여 아래의 설명에 개시되지 않는다. 또한, 아래의 개시가 본 기술의 상이한 양태들의 몇 가지 구현예들을 개시하더라도, 몇 가지 다른 구현예들은 이 섹션에서 설명된 것들 보다 상이한 구성들 또는 상이한 구성요소들을 구비할 수 있다. 따라서, 본 기술은 추가적인 요소들을 구비한, 및/또는 도 1-14c를 참조하여 아래에 설명된 몇 가지 구성요소들을 구비하지 않은 다른 구현예들을 가질 수 있다.

아래에 설명된 본 기술의 몇 가지 구현예들은 프로그램 가능한 컴퓨터에 의해 실행되는 루틴들을 포함하는 컴퓨터 실행 가능 명령들의 형태를 취할 수 있다. 관련된 기술에서 숙련된 사람들은 본 기술이 아래에 도시되고 설명된 것을 이외의 컴퓨터 시스템들에서 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 기술은 아래에 설명되는 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령들을 수행하도록 특정하게 프로그램되고, 구성되고, 또는 제작된 특별한 목적의 컴퓨터 또는 데이터 프로세서에서 구현될 수 있다. 따라서, 여기서 통상적으로 사용되는 것과 같은 “컴퓨터” 및 “제어기”라는 용어는 임의의 데이터 프로세서를 지칭하며 인터넷 기기들 및 휴대용 장치들(팜탑(palm-top) 컴퓨터들, 웨어러블(wearable) 컴퓨터, 핸드폰 또는 이동 전화들, 멀티 프로세서 시스템들, 프로세서 기초 또는 프로그램 가능한 소비자 전자장치들, 네트워크 컴퓨터들, 미니 컴퓨터들 등을 포함하는)을 포함할 수 있다. 현재 개시된 기술의 양태들은 일들 및 모듈들이 통신 네트워크를 통하여 연결되는 원격 처리 장치들에 의해 수행되는 분산 환경에서 실시될 수 있다. 분산 계산 환경에서, 프로그램 모듈들 및 서브루틴들은 로컬 그리고 원격 저장 장치들에 위치될 수 있다. 아래 설명된 본 기술의 양태들은 네트워크를 통해 전자적으로 분산되었을 뿐만 아니라 자기 또는 광학적으로 판독 가능한 또는 제거 가능한 컴퓨터 디스크를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장되거나 분산될 수 있다. 또한, 몇몇 구현예에서 본 기술의 양태들에 특별한 데이터 구조 및 데이터 전송은 본 기술 내에 포함된다. 다른 구현예들에서, 그러한 데이터 구조 및 전송은 생략된다.

도면들 및 관련된 설명들은 현재 개시된 기술의 구현예들을 실증하기 위하여 제공되며 본 기술의 범위를 한정하기 위하여 제공되는 것은 아니다. “일 구현예” 또는 “구현예”에 대한 상세한 설명에서의 참조는 구현예에 관계되어 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 기술의 적어도 일 구현예에 포함된다는 것을 나타내기 위함이다. 상세한 설명의 다양한 곳에서의 어구“일 구현예에서” 또는 “구현예”의 발현은 반드시 모두 동일한 구현예에 대해 참조하고 있는 것은 아니다.

본 개시에서 사용되는 바와 같이, 문맥이 다르게 요구하는 경우는 제외하고, 용어“포함하다” 및 “포함하는”, “포함하다” 및 “포함되는”과 같은 용어의 변형들은 다른 추가물들, 구성요소들, 숫자들 또는 단계들을 배제하는 것을 의도하는 것은 아니다.

몇 가지 구현예들이 흐름도, 흐름도, 구조 도식도, 또는 블록 도식도로서 기술되는 공정으로서 개시된다. 흐름도가 연속적인 공정으로서 작업들의 다양한 단계들을 개시할 수 있지만, 많은 작업들은 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 도시된 단계들은 한정하기 위함이 아니며 기술된 각각의 단계가 방법에 필수적임을 나타내기 위함도 아니고, 대신에 단지 대표적인 단계들이다.

도 1에서 도식적으로 도시된 일 구현예에서, 엔진 시스템(100)은 제1 유체를 압축하도록 동작 가능하게 구성된 냉각 압축기(110), 및 압축된 제1 유체를 수용하고 가열하도록 동작 가능하게 구성된 압축 유체 히터(120)를 포함한다. 엔진 시스템(100)은 히터(120)의 내부를 용적형 팽창기(130)의 내부로부터 분리하는 고온 흡기 밸브(140)를 통해 압축 유체 히터(120)로부터 가열 압축된 제1 유체를 수용하기 위한 용적형 팽창기(130)를 더 포함한다. 엔진 시스템(100)은 압축된 제1 유체를 냉각 압축기(110)로부터 수용하도록, 압축된 제1 유체를 예열하도록, 그리고 예열 압축된 제1 유체를 압축 유체 히터(120)로 공급하도록 구성된 회수기(150)(예를 들면, 열교환기) 또는 다른 배기 에너지 회수 장치를 더 포함한다. 이러한 구현예에서, 제1 유체(예를 들면, 작동 유체)는 공기이다. 다른 구현예들에서, 제1 유체는, 기체에 한정되지 않지만 기체를 포함하여, 가열 시에 적합한 팽창을 나타내는 임의의 적합한 유체가 될 수 있다. 일 출력 장치(137)는 팽창기(130)로부터, 예를 들면, 축 동력의 형태로 일을 전달하거나, 또는 다른 에너지 형태가 발전기를 구동시키기 위하여 및/또는 다른 유용한 기능들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 압축기(110) 및 팽창기(130)는 구별되는 작동 유체 체적을 가질 수 있으며, 예를 들면, 각각의 이러한 작동 유체 체적은 겹치지 않는다. 몇몇 구현예들에서, 히터(120)(예를 들면, 연소기)는 압축기 작동 유체 체적 및 팽창기 작동 유체 체적 모두와 구별되는 작동 유체 체적을 갖는다. 적어도 몇몇 구현예들에서는, 모든 세 개의 체적들이 구별되는 것은 아니다. 예를 들면, 히터 체적은 팽창기 체적과 겹칠 수 있다(예를 들면, 포함할 수 있거나 포함될 수 있다).

특정한 구현예에서, 압축 유체 히터(120)는 회수기 유체 출구(152), 예열된 유체 라인(154) 및 히터 입구(124)를 통해 회수기(150)로부터 공급되는 제1 유체(예를 들면, 공기)와 연소되기 위하여 연료가 연료 공급 라인(122)을 통해 공급되는 연속 연소기이다. 다른 구현예들에서 압축 유체 히터(120)는 펄스 연소기 또는 작동 유체를 가열하기에 적합한 임의의 일반적인 히터일 수 있다. 히터(120)가 펄스 연소기를 포함하는 경우, 펄스 연소기는 직전 압축기 출구 포트의 개폐 또는 팽창기 입구 포트의 개폐 또는 시스템 내의 모든 다양한 공진들의 주파수와 일치하도록 맞춰질 수 있다. 이러한 조화된 배열은 유체 유동 마찰 및 유체 펌핑 손실들을 감소시킬 수 있다. 펄스 연소기는 진동 및 소음을 감소시키기 위하여, 시스템의 몇몇 시스템의 고조파들과 반대 위상으로 맞춰질 수 있다.

압축기(110)는 복수의 부분들 또는 압축 단들을 포함할 수 있다. 도 1에, 예시에 의하면, 세 개의 부분들 또는 압축 단들(111, 112 및 113)이 도시된다. 이러한 구현예에서, 공기는 작동 유체로서 대기 입구(114)를 통하여 연속된 압축 단들(111, 112 및 113)에 공급된다. 적어도 하나의 인터쿨러 또는 다른 열 전달 장치가 두 개의 연속적인 압축 단들 간에 유체 연통하게 배치될 수 있으며, 두 개의 연속적인 압축 단들 중 제1 단으로부터 압축된 제1 유체를 수용하도록 동작 가능하게 구성될 수 있다. 인터쿨러는 압축된 제1 유체를 냉각하고 압축된 제1 유체를 두 개의 연속적인 압축 단계들 중 제2 단으로 제공한다. 도 1에 도시된 예시에서, 제1 인터쿨러(115)는 제1 압축 단(111)과 제2 압축 단(112) 간에 배치되며, 제2 인터쿨러(116)는 제2 압축 단(112)과 제3 압축 단(113) 간에 배치된다. 다른 구현예들은 더 많은 또는 더 적은 압축 단들을 포함할 수 있으며 몇몇 바로 연속적인 압축 단들은 그것들 간에 배치된 인터쿨러 없이 서로 직접적으로 연결될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 압축 단들은 병렬로 또는 직렬로 동작하는 다중 용적형 압축기 기계들의 압축 단들일 수 있다.

압축 중에, 작동 유체(예를 들면, 공기)는 압축 단들(111, 112 및 113)에서 증가된 압력 때문에 가열된다. 이것은 엔진의 열역학적 사이클들에서 기본적인 문제들 중 하나를 잠깐 다루며 잠재적인 비효율성의 근원이다. 이상적인 그리고 이론적인 카르노 사이클에서, 이러한 압축은 등온적이다. 그러한 등온 압축은 통상적으로 상용 영역에서 경제적으로 성공 가능한 엔진들에서 달성 가능하지 않기 때문에, 현재 개시된 기술의 구현예들에 따른 엔진들은 압축 단들 간에 작동 유체를 냉각시키기 위한 인터쿨러들(115 및 116)을 이용한다. 어구 “반 등온 압축”은 본 개시에서, 구체적인 구현예로서, 이상적인 카르노 사이클의 진정한 등온 압축에 대하여 이러한 실제적인 “중간 냉각” 근사값을 포함하기 위하여 사용된다. 다른 구현예들에서, 다른 기술들이 이상적인, 등온 압축 공정을 근사하기 위하여 사용될 수 있다.

회수기(150)는 압축된 제1 유체와 제2 유체 간의 열 연통을 제공함으로써 압축된 제1 유체를 예열하도록 구성된다. 도시된 구현예에서, 제2 유체는 회수기 가열 유체 입구(156) 및 팽창기 배기 포트 또는 밸브(134)의 배기 라인(132)을 통해 회수기(150)로 공급되는 용적형 팽창기(130)로부터의 배기 유체이다. 일 구현예에서, 회수기(150)에서 사용된 배기 유체는 그 다음에 회수기 배출구(158)로 배출된다. 다른 구현예들에서는, 배기 유체는 회수기(150)를 통과한 후에 다른 기능들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 배기 유체는 공간 난방(예를 들면, 빌딩을 난방하기 위한)을 위하여 사용될 수 있고/있거나 상대적으로 저등급 및/또는 저온 열로부터 유용한 기능을 추출하는 다른 상황에서 열을 제공할 수 있다.

회수기(150)는 압축된 제1 유체를 예열하기 위한 모든 다수의 상이한 방법들에서 동작하기 위하여 제작될 수 있다. 예를 들면, 회수기(150)는 배기 유체로부터 작동 유체로 열을 전달하도록 구성된 열교환기(159)를 포함할 수 있다. 본 기술의 일 구현예에서, 회수기(150)는 팽창기(130)의 배기 스택에서 카운터플로우 코일 압축 공기 튜브를 포함한다. 다른 구현예에서, 열 전달이 일어나는 동안, 예를 들면, 열이 고온의 제2 유체로부터 더 저온의 반등온적으로 압축된 제1 유체로 전달되게 하는 동안, 두 개의 유체는 서로 직접적인 유체 접촉으로부터 분리되어 유지되도록 박막 금속 또는 다른 열전도성 물질로 만들어진 벽에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 회수기는 열적으로 전달되는 그러나 서로 유체 전달되지 않는 제1 및 제2 유동통로를 포함할 수 있다.

회수는 팽창 전에 작동 유체에서 필요한 최대 온도들에 도달하기 위하여 요구되는 연료 또는 가열 에너지의 양을 감소시키는데 매우 에너지 효율적인 접근법이 될 수 있다. 배기 에너지 회수에 대한 보편적인 기술은 배기 가스에서의 잉여 압력이 내연 엔진들의 흡기 압력을 증가시키기 위해 압축 펌프를 구동시키는데 사용되는 터보 차저이다. 몇몇 열에너지는 터보 팽창의 공정으로부터 추출되지만, 기체가 흔히 터보 차징 터빈으로부터 매우 높은 온도들로 배출됨에도 불구하고, 보편적으로 대기로 배출된다(또는 가끔 공정 열을 제공하기 위하여 열병합 발전 시스템들에서 사용되기도 한다). 역류 회수기 전략으로, 배기 열은 그 열의 많은 퍼센티지를 압축된 유체에 전달할 수 있으며, 엔진이 열병합 발전 시스템의 일부인 경우에는 모든 잔류 열 또한 회수된다.

회수는 압축 공기 또는 공기 연료 혼합물이 바로 점화되어 연소되기 때문에 종래 내연 엔진들에서는 달성되기 어렵다. 압축 공정이 팽창에 대하여 동일한 배기량 장치를 사용하는 경우에, 통상적으로 그 공기를 배기 열 회수기로 재안내하기 위한 간단한 방법은 없다. 또한, 단일 단계 압축 공정의 공기는 중간 냉각 또는 반등온 압축 공정을 구비한 것보다 더 고온이며 단일 단계 압축 공정의 그러한 고온의 압축 공기는 흔히 배기 가스보다 실질적으로 더 차갑지 않다. 바꿔 말하면, 만약 압축 공정 중에 냉각이 없다면 회수는 압축 공기 온도를 실질적으로 증가시킬 수 없다. 일반적으로, 필요한 일의 양은 기체의 부피에 비례하고 그 부피는 기체의 온도들에 비례하기 때문에 만약에 동일한 압력들이 평균 온도들을 더 낮게 유지하는 공정으로 달성되려면, 본 개시의 구현예들의 고온의 압축 기체는 그것을 제공하기 위하여 더 많은 일이 필요하다. 회수는 이러한 에너지를 재획득하는 한가지 기술이다.

엔진 시스템(100)은 팽창기(130)의 입구에 고온 흡기 밸브(140)를 포함할 수 있다. 고온 흡기 밸브(140)를 통하여 팽창기(130)의 내부를 유체 히터(120)의 내부로부터 분리하는 이익들 중 하나는 팽창기(130)의 구체적인 기술의 선택에서 상당한 유연성을 제공한다는 것이다. 예를 들면, 용적형 팽창기(130)는 왕복운동 팽창기(136)를 포함할 수 있으며, 따라서 고온 흡기 밸브(140)는 가열되고 압축된 작동 유체의 유동을 히터(120)로부터 왕복운동 팽창기(136)로 들어가게 제어할 수 있다.

팽창기(130)에 대한 압축기(110)의 전체 체적비는 팽창기(130)로부터 필요한 출구 압력의 함수이다. 대기 외부 압력들 보다 높은 출구 압력들로 팽창시키는 것은 대기 압력으로 팽창시키는 것만큼 효율적이지 않지만, 팽창기(130)에 주어진 배기량 체적에 대하여 더 많은 동력을 제공한다. 그러한 것과 같이, 각양각색의 잠재적인 적합한 선택사항들이 존재하며 이러한 가능한 해결책들은 용이하게 구입가능한 용적형 기계들과 비교할 수 있거나, 또는 맞춤형 기계가 사용될 수 있다. 제2 단계와 비교되는 반등온 압축기의 제1 단계(또는 제3 단계와 비교되는 제2 단계)의 체적비는 중간 냉각이 사용되는 경우 두 개의 단계들 중 제1 단계에서 달성되는 압력비와 깊은 상관관계가 있다. 즉, 만약에 제1 인터쿨러(115)가 제1 단계 중간 냉각된 유체의 온도를 다시 제1 압축 단(111)으로 들어가는 것과 같은 온도(예를 들면, 대기 온도) 근처로 돌려 놓는다면, 제1 인터쿨러(115)에서 배출되는 유체의 체적은 그러한 제1 단계의 증가된 압력에 매우 근사하게 비례한다.

제1 인터쿨러(115)를 나오는 온도가 대기 온도 위로 증가되므로, 배출되는 작동 유체의 체적이 증가되며 이것은 압축기(110)의 제2 압축 단(112)에서 필요한 체적과 상관관계가 있을 것이다. 이전 단계에 의해 배출되는 작동 유체의 질량은 후속 단계 또는 공정에 의해 수용되는 질량과 부합할 필요가 있다. 이 기술분야에 숙련된 설계자에 의해 선택된 가변 압력들 및 온도들은 각 단계 간에 사용되는 체적비들을 결정할 것이다. 특정한 구현예들에서, 용적형 기계는 최대 배기량보다 더 적은 작동 유체의 체적을 수용할 수 있다. 예를 들면, 왕복운동 기계에서, 흡기 "스트로크"의 최대 180도보다 더 적게 흡기 밸브를 개방함으로써 그렇게 할 수 있다.

연소가 팽창기(130)의 팽창 챔버 외부에서 발생하는 구현예들에서, 하나의 과제는 고온 고압 작동 유체가 히터(120)의 연소 챔버로부터 왕복운동 팽창기(130)의 팽창 챔버로 전달되어야 한다는 것이다. 일반적으로 작동 유체의 유동은 용적형 팽창기에서 시작되고 간헐적으로 멈춰진다. 따라서, 본 기술의 구현예들은 고온 밸브(140)를 포함한다.

작동 유체로서 기체를 이용하는 경우, 더 높은 효율이 더 높은 온도에서 얻어질 수 있기 때문에 연소 기체의 필요한 온도는 통상적으로 실용적인 만큼 높다. 이러한 온도들은 1200 K, 1400 K, 1600 K, 1700 K, 2000 K, 2400 K, 또는 2800 K보다 높을 수 있다. 이러한 온도들은 일반적으로 비보호된 금속에 손상을 줄 것이다. 또한, 왕복운동 팽창기(136)의 팽창 챔버의 압력이 실질적으로 고온 작동 유체의 온도보다 낮은 경우에 고온 흡기 밸브(140)를 통하는 작동 유체 유동 속도는 높을 수 있다. 과제는 흡기 밸브(140)가 이러한 고온 가압된 유체의 손상을 가하는 유동을 견딜 수 있게 하는 것이다. 따라서, 적어도 몇몇 구현예들에서는, 흡기 밸브(140)의 구조는 고온 작동 유체로부터 단열될 수 있고/있거나 능동적으로 냉각될 수 있다. 추가적인 세부사항들은 도 8-10d를 참조하여 이후에 설명된다.

팽창기 출구의 배기 밸브(134)는 팽창기(130)를 나오는 작동 유체의 유동을 제어한다. 팽창기 출구의 유체는 팽창기 입구보다 더 낮기 때문에, 배기 밸브(134)는 흡기 밸브(140)와 같은 동일한 수준의 열 오차범위를 요구하지 않을 수 있다. 배기 밸브(134)가 폐쇄되는 시간을 조정함으로써, 팽창기(130)의 배기 공동의 잔존 작동 유체는 연소기(120) 내의 압력 근처까지 압축될 수 있다. 예를 들면, 팽창기(130)가 피스톤을 포함한다면, 피스톤이 유사한 엔진 블록의 표준적인 사용에서 배기 스트로크로 간주되는 것의 마지막 부분을 완료할 때 배기 밸브(134)는 폐쇄될 수 있다. 이러한 타이밍은 히터(120)의 연소 챔버와 팽창기(130)의 팽창 챔버 간의 압력 차이를 감소시키도록 선택될 수 있고, 그럼으로써 흡기 밸브(140)가 개방됨에 따라 유동 속도, 관련된 열 전달율, 및 부식 역학을 감소시킨다. 흡기 밸브(140)의 타이밍을 조절하기 위한 공정은 간단한 종래의 밸브 타이밍 기술들로, 예를 들면, 크랭크/구동 축과 밸브 구동 메커니즘 간의 기계적인 연결을 통하여 구동되는 밸브들로 제어될 수 있으며/있거나 타이밍은 밸브 타이밍 기능을 수행하기 위한 구체적인 명령들로 프로그램된 프로세서로 컴퓨터-제어될 수 있다. 유사한 장치들이 연소기에서 간헐 연소 공정을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.

배기 작동 유체 및 다른 동작 파라미터들을 계산하기 위하여 센서들이 사용될 수 있다. 이러한 것들은 다양한 파라미터들, 예를 들면, 히터(120)로의 연료 유량을 조절할 수 있는 하나 이상의 마이크로컨트롤러들로 전송될 수 있다. 가열 공정은 통상적으로 압축된 제1 유체(예를 들면, 작동 유체)에 연료를 첨가하는 것 및 적합한 연소 공정을 작동시키는 것을 포함한다. 연료 유량을 제어하는 것은 통상적으로 시스템의 동력 수준을 변경하기 위한 기본적인 스로틀 기술이다.

팽창기(130)로부터 분리된 연소기를 이용하는 구성들(예를 들면, 연속, 준연속 및/또는 간헐 연소)에서, 내연 엔진에 부과된 타이밍 요구사항들보다 더욱 독립적인 모드에서 작동한다. 따라서, 연소기(120)는 제어한다면 매우 적은 요구사항들로 상대적으로 간단할 수 있다. 다른 구현예들은 더욱 정교한 설계들을 포함한다. 연소기(120)에 대한 몇몇 설계들은 연소 기술들 및/또는 파라미터들이 반응물들을 예혼합함으로써, 유동 압력을 조절함으로써, 및/또는 오리피스 크기를 변경함으로써 변할 수 있게 한다. 그러한 파라미터들을 변경하는 것은 온도를 변화시키고/변화시키거나 NOx, CO 및/또는 미연소 탄화수소 배출을 변화시키는 결과에 따라 후연소 기체의 온도 및/또는 화학적 성질을 변화시킨다. 이러한 구현예들 중 적어도 몇몇에서는, 연소기는 미차단된(예를 들면, 밸브 없는) 입구를 구비하며 다중 팽창기 사이클 동안 팽창기로 연소 생성물의 연속적인 유동을 제공하도록 배치된다. 이것은 종래의 내연 엔진과는 다르며, 연소 생성물들의 분리된 양들을, 각각 팽창 사이클에 대하여 하나씩 제공한다.

흡기 밸브(140)의 타이밍을 변화시키는 것은 시스템 동작 특성들을, 예를 들면, 용적형 공동들이 상이한 고압 또는 통로들에 개방되는 동작 압력 또는 시간을 변경함으로써 변경시킬 수 있다. 어떻게 기체가 개구를 통해 유동하는지 뿐만 아니라 얼마나 신속하게 밸브가 개폐되는지에 대한 세부사항들이 밸브 타이밍에 영향을 미칠 것이다. 또한, 외부 환경 또는 제어 설정(예를 들면 스로틀 설정)에서의 변화는 시스템 전체에 걸쳐 다양한 점들에서 작동 유체의 압력들을 변경시킬 수 있다. 그러한 것처럼, 밸브(140) 동작 타이밍을 변경시키는 것은 유리할 수 있다. 적합한 기술들은 내연 기계들에서 현재 사용되는 그러한 것들, 예를 들면, 밸브 작동 시스템 축의 "클로킹" 위치를 변경하는 것을 포함한다. 통상적인 포핏 밸브 설계에서, 이러한 공정은 크랭크축 위치에 대하여 캠축을 "클로킹"하는 것, 또는 유사하게 회전 밸브로, 밸브 바디의 각변위를 "클로킹"하는 것을 포함한다. 이렇게 하기 위한 한가지 간단한 방법은 캠/밸브 구동 벨트에서 조정 가능한 아이들러 풀리 또는 각 변위를 편향시키기 위한 체인을 구비하는 것이다. 최신 기술은 전자제어 또는 유압 구동을 통해 밸브의 정교한 동역학적 조작을 가능하게 한다. 엔진을 모니터하고 제어하기 위해 이용될 수 있는 다른 제어 파라미터들은, 한정되지 않지만, 동작 온도, 윤활 유동 및 안전한 동작 한계점을 포함한다.

본 기술의 몇몇 구현예들에서, 용적형 팽창기(130)는, 예를 들면, 동일한 축에 두 개의 유닛을 놓음으로써 또는 벨트를 통하여 반등온 압축기(110)를 구동함으로써 반등온 압축기(110)를 구동하도록 구성된다. 다른 구현예들에서는, 반등온 압축기(110)는 원동력의 분리된 동력원으로 구동될 수 있다. 특정한 구현예들에서, 팽창기(130)는 전기를 발전하기 위한 발전기에 연결될 수 있으며, 압축기(110)는 발전기로부터 또는, 예를 들면, 에너지 저장 구현예들의 다른 동력 공급원으로부터, 전류를 받는 전기적으로 구동되는 모터에 연결될 수 있다. 압축기와 팽창기 간에, 예를 들면, 클러치 또는 직접 구동 메커니즘으로, 모터/발전기를 배치하는 것은 압축만이 또는 팽창만이, 예를 들면, 저장된 압축 유체를 사용하거나 생성함으로써, 제시간에 주어진 점에서 발생하는 경우, 모드들을 동작시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 배열은 또한 압축 및 팽창 공정 모두 동시에 발생하는 모드들을 가능하게 할 수 있지만, 동일한 질량 유동 속도를 갖고 동작하는 경우보다 각각은 상이한 질량 유동 속도 및 이에 상응하게 상이한 동력을 갖는다.

시스템(100)은 또한 재생 냉각 장치(160)를 포함할 수 있다. 재생 냉각은 일반적으로 유체가 시스템 요소를 냉각하기 위하여 사용되고 이어서 냉각 공정 후에 냉매가 작동 유체 또는 다른 공정 유동으로 유입되는 공정을 지칭한다. 필름 냉각은 격납고의 표면들을 따라 유체의 평균 온도를 감소시키기 위하여 더 저온의 유체가 더 고온의 유체 유동과 그 유동을 둘러싸는 격납고 사이로 안내되는 특정한 예시이다. 주입된 유체는 전체 작동 유체의 일부가 된다. 다른 구현예에서, 냉각 유체는 견고한 경계선에 의해 더 고온의 유체로부터 분리된다. 더 저온의 유체가 견고한 경계선에 근접함을 통해 가열되면, 더 고온의 유동으로, 예를 들면, 작동 유체 내로 전달될 수 있다.

재생 냉각 유체는 작동 유체 내로 재유입되기 전에 다수의 장소로 안내될 수 있다. 유체는 단일 장소로 안내될 수 있으며/있거나, 병렬로 다중 장소로 안내될 수 있고/있거나 직렬로 다중 장소로 안내될 수 있다. 대표적인 장소는 연소기, 회수기, 팽창기 및/또는 압축기를 포함한다. 도 1에 도시된 특정한 구현예에서, 재생 유동은 팽창기 및/또는 냉각을 위한 연소기로 안내되며, 가열되면 연소기의 작동 유체 상류로 재안내된다. 재생기가 도 1에 분리된 장치로서 도식적으로 도시되었지만, 재생기는 냉각하는 장치와, 예를 들면, 도 9a-11c를 참조하여 이후에 설명되는 바와 같이 능동 냉각 통로의 형태로 통합될 수 있다.

도 2는 본 기술에 따른 대표적인 엔진 시스템(200)의 다른 구현예가 도시된 것을 도식적으로 도시한다. 도 1에 도시된 구성요소들과 동일하거나 일반적으로 동등한 구성요소들은 동일한 참조 번호들로 표기된다. 이러한 구현예에서, 용적형 팽창기(130)는 밸브리스 포트(240)에 연결된 회전 팽창기(236)를 포함한다. 회전 팽창기(236)는 회전 로터가 가변 체적 챔버들을 생성하는 용적형 기계이다. 이러한 장치의 예시들로는 반켈(Wankel) 실린더 구성 또는 회전 베인 펌프를 포함한다. 엔진의 다른 서브시스템들은 도 1의 구현예의 서브시스템과 유사할 수 있거나 동일할 수 있으며 유사하거나 동일한 방법으로 기능할 수 있다. 도 2의 구현예의 특정한 특징은 회전 팽창기(236)가 하나 이상의 회전 부재들을 구비할 수 있으며 하나 이상의 자체 회전 부재들에 의하여 자체 흡기 밸브 작동을 수행할 수 있다. 그럼으로써 고온 흡기 밸브에 대한 요구사항은 이 구현예에서 배제된다. 적합한 회전 팽창기(236)의 한정되지 않는 일 실시예는 미국 출원 번호 13/038.345호에 설명된 두 개의 로브 양방향 회전 팽창기이며, 구체적인 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

도 3은 연료로부터 동력을 발생시키기 위한 본 기술의 다른 양태에 따른 공정(300)을 도시한다. 여기서 도 1의 장치를 참조하여 설명되는 공정은 압축기(예를 들면, 도 1에 도시된 압축기(110))에서 작동 유체(공정부(310))를 반등온적으로 압축하는 단계를 포함한다. 공정부(320)은 압축된 작동 유체를 예열하는 단계(예를 들면, 회수기(150)에서)을 포함하며 공정부(330)은 연료를 작동 유체에 첨가하고 결과적인 혼합물을 연소함으로써 압축된 작동 유체를 가열하는 단계(예를 들면, 히터(120)에서)을 포함한다. 공정부(340)은 팽창기(예를 들면, 왕복운동 팽창기(136))의 팽창 챔버로 고온 흡기 밸브의 사용을 통해 압축되고 가열된 작동 유체(예를 들면, 히터(120)로부터)의 유입을 제어하는 단계를 포함한다. 공정부(350)은 가열되고 압축된 작동 유체를 팽창시키는 단계를 포함한다. 작동 유체를 예열시키는 단계(공정부(320))는 배기 작동 유체의 열을 사용한다. 팽창기로 가열되고 압축된 작동 유체의 유입을 제어하는 단계는(예를 들면, 고온 흡기 밸브를 통하여) 1200 K를 초과하는 온도들에서 발생할 수 있다. 몇몇 환경 하에서는 1400 K를 초과하는 온도들에서, 예를 들면, 1700 K, 2000 K, 2400 K, 또는 2800 K에서 발생할 수 있다. 도 2의 장치의 경우에는, 방법은 팽창 공정(공정부(350)) 및 제어 공정(공정부(340))에 대한 것을 제외하고 적어도 대체적으로 유사하다. 예를 들면, 도 2에 도시된 구현예에서 흡기 밸브(140)가 없기 때문에, 공정부(350)은 회전 팽창기에서 발생할 수 있고 공정부(340)은 회전 팽창기 자체 내에서 발생할 수 있다. 공정부(345)는 열을 재생하는 것, 예를 들면, 히터로 및/또는 팽창기로 냉각 유체를 전달하고 냉각 유체를 전체 공정 유동으로, 예를 들면, 히터의 상류로 돌려보냄으로써 열을 재생하는 것을 포함한다.

도 1, 2 및 3에 도시된 예시 구현예들에서, 작동 유체는 공기가 될 수 있으며 (연소기의 연료 이외에) 제2 반응물로서 제공될 수 있다. 본 기술의 더욱 일반적인 구현예에서, 열 생성은 작동 유체 사이클의 외부에 있을 수 있다.

제1 작동 유체(공정부(310)를 반등온적으로 압축하는 단계는 압축 단들 간에 압축된 작동 유체를 중간 냉각하는 동안에 복수의 압축 단들에서 작동 유체를 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 도 1, 2 및 3에 도시된, 일 구현예에서, 반등온 압축 공정은 제1 압축 단(111)의 제1 압축 공정(공정부(311)), 제1 인터쿨러(115)의 제1 중간냉각 공정(공정부(315)), 제2 압축 단(112)의 제2 압축 공정(공정부(312)), 제2 인터쿨러(116)의 제2 중간냉각 공정(공정부(316)), 및 제3 압축 단(113)에서 제3 압축 공정(공정부(313))을 포함한다.

예열 공정(공정부(320))은 팽창기 배기로부터 열을 회수하는 단계(공정부(322))을 포함할 수 있다. 공정부(322)에서 회수된 열은 작동 유체가 히터(120)로 들어가기 전에 열을 교환함으로써(공정부(324)) 압축된 작동 유체를 예열하기 위한 회수기(150)로 안내된다.

도 1 및 도 2의 예시들에서, 연료는 작동 유체를 형성하는 공기와 함께 연소된다. 따라서, 히터(120)의 내부가 팽창기(130)의 내부로부터 분리되어 있음에도 불구하고, 이러한 두 개의 구성요소들은 흡기 밸브(도 1) 또는 포트(240)(도 2)를 통해 간헐적으로 유체 연통하게 유지된다. 그러므로, 현재 개시된 기술의 구현예들에 따른 엔진들은, 대부분의 내연 엔진들에서처럼 연소가 비록 팽창기의 팽창 챔버 내에서는 아니더라도, 작동 유체 내에서 발생한다는 점에서 원리적으로 내연 엔진들이다. 다른 구현예들에서, 히터(120)는 연료 및 작동 유체가 분리되어 유지되도록 외부에서 가열될 수 있다.

현재 개시된 기술의 구현예들은 제1 유체, 예를 들면, 공기를 가열하기 위한 다중 방법들을 포함한다. 여기에서 언급된 많은 구현예들은 연료와 압축된 공기를 연소시켜, 그 연소의 생산물들이 이어서 위에서 언급된 바와 같이 팽창기로 유동하는 것을 포함한다. 연료는 기체(예를 들면, 천연 가스 또는 프로판, 합성가스), 액체(예를 들면, 가솔린, 디젤 연료 또는 벙커유) 또는 심지어 고체(예를 들면, 바이오매스/나무, 석탄, 코크스, 숯)가 될 수 있다.

고체 연료의 사용은 일반적으로 재 및 팽창기 표면에 남을 수 있는 다른 물질들을 발생시킨다. 일반적으로, 용적형 기계들은 고속에서 통상적으로 회전하고(그리고 따라서 소량의 침전물 유도 불균형을 겪을 수 있고) (수트로 막힐 수 있는)냉각 채널들을 구비하는 비행기계들 보다 이러한 침전물에 더 관대할 수 있다.

몇몇 연소 기술들, 특히 고체 연료에 대한 대안은 분리된 공동에서 연료를 연소시켜 압축된 공기를 연소 생성물로부터 분리하는 파티션을 통과하여 열을 전달하는 것이다. 예를 들어 석탄 발전소의 보일러는 연소 기체로부터 작동 유체를 운반하는 고압 물 튜브로 열을 전달한다. 유사한 전략은 물 대신에 튜브 안에 공기를 사용할 수 있다. 과제는 물질 한계 또는 열 전달 벽의 비용 때문에 압축된 공기에 전달될 수 있는 최대 온도이다. 또한, 그러한 온도들은 일반적으로 팽창되어야 하는 동일한 기체 내에서 연소로부터 얻어지는 온도들보다 더 낮다. 그러나, 고체 연료는 더 낮은 최대 온도들 및 관련된 더 낮은 열역학적 효율을 적어도 몇몇 구현예들에서 수용 가능한 트레이드오프(tradeoff)로 만드므로 흔히 기체 또는 액체 연료보다 훨씬 덜 고가이며/고가이거나 더 구입가능하다. 다른 대표적인 열원들은 태양열 또는 산업 공정의 폐열을 포함한다.

위에서 설명된 중간냉각 공정은 엔진의 동력 효율을 증가시킨다. 이것에 대한 이유들 중 하나는 부수적인 압축을 감소시킨다는 것이다. 내연 엔진들에서 중간냉각은 주어진 배기량에서, 통상적으로 터보 또는 수퍼차저와 연결되어, 동력을 증가시키는 방법으로 알려져 있다. 터보 및 수퍼차징은 통상적으로 내연 엔진들에 본질적인, 과소팽창된 유동의 배기에서 잔류 에너지를 얻기 위하여 일반적으로 사용된다. 즉, 이러한 설계가 더 완전한 팽창으로 얻는 잉여 동력이 동력을 증가시키기 위하여 사용된다. 압축 및 팽창이 동일한 실린더에서 발생하는 통상적인 내연 엔진에서, 연소 생성물들은 대기 압력보다 더 크게 팽창되고 더 많은 팽창으로부터 얻어지는 잉여 에너지 효율이 있을 수 있다. 현재 개시된 기술의 구현예들에서와 같은 압축 및 팽창이 상이한 체적에서 발생하는 엔진에서는, 터보차저에서 소비되는 에너지는 팽창기 출력으로부터 제거되고 최대 팽창기 출력은 출구 압력이 외부 대기 압력일 경우에 발생하기 때문에 터보차저에 대한 효율 이익은 없다.

최종 압축 단계, 연소, 및 팽창 모두가 동일한 실린더 내에서 그리고 복잡한 타이밍으로 발생하는 표준 내연 엔진에서는, 최종 압축 단계 후에 및 연소 직전에 반응물들에 폐열을 제공하는 용이한 방법은 일반적으로 없다. 연소 체적으로부터 압축 체적을 분리하는 것은 시스템이 냉각 압축된 공기를 예열할 수 있게 한다. 현재 개시된 기술의 엔진에서, 회수기(150)의 회수와 압축기(110)에서의 중간냉각을 결합함으로써, 압축 일은 15% 내지 25% 만큼 감소될 수 있다. 이것은 상당한 에너지 효율 이득, 예를 들면, 25%까지 발생시킨다.

압축기(110)의 제1 압축 단(111)은 엔진을 통하여 히터(120)까지 작동 유체로서 공기의 유동 속도를 결정한다. 현재 개시된 기술의 엔진에서, 팽창기(130)는 가열 공정이 히터(120)에서 실행된 후에 작동 유체의 증가된 체적 및 유동에 대하여 독립적으로 최적화될 수 있다. 그러므로, 팽창기(130)에서 팽창비는 히터(120)로부터의 가열된 공기에 부합될 수 있다. 이것은 효율에 있어 25%에 근사하는 더 높은 이득의 근원이다. 이것은 또한 압축, 가열 및 팽창 모두가 동일한 챔버에서 발생하는 표준 내연 기계들에서는 관리하기 곤란하거나 가능하지 않다.

현재 개시된 기술의 시스템들과 어느 정도 유사한 시스템들이 터보기계들에 대해 제안되어 왔다. 그러한 시스템들은 통상적으로, 예를 들면, 항공기 가스 터빈 엔진에서 사용되는 바와 같이, 회전 터보 압축기와 회전 터보 팽창기 간에 위치된 연소기를 포함한다. 그러한 시스템들과 본 기술과의 한가지 차이점은 본 기술의 구현예들은 작동 유체의 이산 체적들이 압축되거나 팽창되는 용적형 기계들을 포함하는 것이다. 대조적으로, 통상적인 가스 터빈 엔진들과 같은 터보 기계들은 연속 유동 기계들이다. 용적형 팽창기들/압축기들은 통상적으로 단위 동력 당 저비용이며, 더 높은 팽창 및 압축 공정 효율을 갖는다. 비록 그러한 기계들이 간헐 유동을 다루는 것이 요구되지만, 이러한 과제는 유동 변화를 완충하기 위한 사이사이의 유동 통로들에서 적합한 체적들의 이용과 함께 이전 및 이후 공정들에 대하여 흡기 및 배기 유동 기간의 타이밍을 조절함으로써 해결된다. 일반적으로 용적형 기계들은 (내연 엔진에서 보편적인 것과 같이)더 높은 최대 기체 온도들을 견딜 수 있으며 이것은 최대 온도 및 배기 온도(그리고 또한 종종 저온의 흡기 및 압축 단들)의 평균값을 겪는 팽창기 구성요소들 때문이다. 단열의 사용은 통상적으로 PDMs(용적형 기계들)에서 실행하기 훨씬 쉽다. 이러한 사이클에 대해 PDMs를 실행하는 것에 대한 한가지 과제는 왕복운동 기계들에 대한 밸브를 냉각 및 회전 형식 PDMs의 부품들의 열 관리와 관계된다. 왕복운동 장치들에 대한 대표적인 냉각 기술들은 도 9-11c를 참조하여 이후에 설명된다.

아래의 예시들은 대표적인 타이밍 장치들을 제공한다. 시스템이 두 개의 제2 단계 압축 실린더들을 이송하는 여섯 개의 제1 단계 압축 실린더들을 포함하면, 제1 단계 실린더들은 서로로부터 60도 위상이 이격되게 작동하도록 크랭크축 위에 배치될 수 있으며, 그렇게 하면 모든 실린더들의 흡기 및 배기를 매끄럽게 한다. 두 개의 제2 단계 실린더들은 (흡기 스트로크가 최대 180도 크랭크 각도인지 여부에 따라서) 실질적으로 항상 흡기 모드에서 실린더들 중 어느 쪽 하나를 구비하도록 서로로부터 180도 크랭크 각도로 시기가 맞춰질 수 있다. 이러한 압축 실린더들 중 임의의 실린더로부터의 출력의 시기 또는 각도 주기는 압축비에 따라서 변화할 것이다. 즉, 만약에 압력비가 10이면, 배출 주기는 압력비가 2인 경우보다 더 짧게 될 것이다. 그러므로 압축 실린더들에서 더 짧은 배출로 배출 유동이 없는 시간의 주기들이 있을 수 있다.

하나의 단계에서 병렬로 동작하는 더 많은 실린더들은 유동 주기성을 해결하는데 도움이 될 것이다. 또한, 이러한 간헐적인 유동원들 및 싱크들 간에 밀폐된 기체 체적을 증가시키는 것은 압력 진동을 감소시킬 것이다. 압력 공정으로부터 팽창 공정으로의 유동은 회수기 및 연소기/히터로 그리고 이어서 팽창 실린더들에서 고온의 기체 밸브들을 통하여 유동하는 고온 기체 매니폴드로 주입을 포함한다. 회수기의 체적들 및 고온 기체 매니폴드는, 히터로 그리고 이어서 팽창 실린더들로의 유동과 함께 제2 단계 압축기 배출 펄스에 의한 압력 진동을 제거하는 어큐뮬레이터로서 작동할 수 있다.

상대적으로 작은 수의 제2 단계 압축 실린더들은 본 예시에서 최소의 일정한 유동 속도들을 생성한다. 압력비에 따라서, 배출 지속 시간은 단지 각각 80도의 크랭크 각도일 수 있다. 이러한 두 개의 80도 주기들은 180도 떨어져 측정될 수 있으나, 이것은 여전히 압축 공정으로부터 유동 없는 200도 크랭크 각도를 유지하게 한다. 팽창 유동은 위에서 설명된 바와 같이 최대 360도로 평활화될 수 있으며, 또는 다른 구현예에서, 팽창 유동들은 일정하게 분포되지 않게, 그러나 압축기로부터 나오는 높은 유동 주기들 근처에 집중되게 시기가 정해질 수 있다. 팽창기 흡기 유동들이 제2 단계 압축기 배출 유동과 잘 상관관계가 되게 배치된다면, 그러면 이것은 또한 회수기 및 고온 기체 매니폴드에서 압력 진동을 감소시킬 수 있다. 이러한 접근법의 주된 효과는 히터 내로 비안정된 유동을 생성하는 것이다. 즉, 압력들은 매우 안정될 수 있지만, 히터를 통하는 유동 속도는 변할 것이다. 압축기와 팽창 크랭크 각도와 실린더 동작 타이밍, 밸브 개폐 타이밍, 사이사이의 유동 통로들의 체적들, 및 히터의 오리피스들 또는 유동 제어 특징들을 포함하는 가능한 변수들을 이용하면, 세부적인 설계 공정은 각양각색의 전체 공정의 다양한 위상들의 유동 안정성을 생성할 수 있다.

흡기 밸브가 적당하게 크기가 정해진다면 왕복운동 기계들은 매우 높은 압축/팽창 효율을 달성할 수 있다. 본 기술의 구현예들에 따라, 적합한 고온 흡기 밸브와 함께 용적형 팽창기의 선택, 또는, 도 2에서와 같이, 흡기 밸브가 요구되지 않는 회전 팽창기의 사용은, 그러므로 또한 더 높은 효율들을 유지하는 것을 지지한다. 유동 포트들이 적절하게 크기가 정해지고 유동의 타이밍이 조심스럽게 관리된다면, 왕복운동 또는 용적형 기계들(PDM)은 일반적으로 터보 기계들에 비해 더 적은 단위당 압축 또는 팽창 손실을 가질 수 있다. 터보 기계들은 반드시 고속 선단 속도들로 동작하며 이러한 고속 유동들의 경계층들에서 발생하는 마찰은 제거하기 어렵다. 터보 기계 선단 속도들을 낮추는 것은 단지 단위 동력당 고비용으로 만든다. 따라서, 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 유동 간헐성이 적당히 관리된다면 용적형 기계들은 더욱 효과적일 수 있다. 동시에, 규모의 경제 및 덜 엄격한 재료의 요구사항들 덕분에, 상용 용적형 팽창기 시스템들이 터빈들보다 훨씬 낮은 단위 비용으로 구입가능하다.

또한, 히터(120)를 선택할 때 히터(120)를 팽창기(130) 및 압축기(110)로부터 분리하는 것으로 인해 선택 자유도가 상당히 증가할 수 있다. 예를 들면, 히터는 연소를 포함할 수도 안할 수도 있다. 히터가 연소를 포함할 경우, 연소 공정은 연속적일 수 있다. 이것은 통상적으로 간헐적인 연소가 필요한 통상적인 선행 내연 엔진들보다 실질적으로 다르다. 예를 들면, 연속적인 방식으로, 팽창기의 체적 밖에서 발생하는 연소를 구비하는 것은 더욱 효율적이고, 광범위한 동력 출력 수준에 걸쳐 감소된 배출가스를 생성할 수 있는 더 최적인 연소가 가능하다. 또한 히터(120)의 분리는 연료의 선택에 있어 더 많은 자유를 제공한다. 특히, 불꽃 점화 엔진들에서 제한된 압력비의 효율 제한적인 문제들, 또는 압축 점화 천연 가스 엔진들에서 점화 문제들을 피하면서 저비용 천연 가스의 사용이 가능하다. 또한 오늘날의 내연 엔진들에 대한 특정한 문제들인, 비일정한 그리고 더 낮은 품질의 더 희박한 연료 혼합물 또는 연료의 사용이 가능하다.

본 기술에서 이용된 중간 냉각, 회수 및 팽창 개선사항들(즉, 최적화)의 결합된 결과는 비교할만한 고효율 내연 엔진들에서 달성가능한 효율보다 20% 내지 50% 더 높을 수 있는 순효율이다. 이러한 면에서, 그러한 고효율 내연 엔진들의 순에너지 효율은 30-45%의 수준인 반면, 본 기술은 45-65% 수준의 에너지 효율들을 제공할 수 있다. 아래의 [표 1]은 두 단계 중간냉각된 압축기, 연소기, 용적형 팽창기, 및 후팽창 회수를 포함하는 엔진에 대한 예상되는 사이클 효율들을 도시한다. 최대 압력은 일반적으로 팽창기의 입구에서 측정된다. 단열 및/또는 재생 냉각의 효율성은 다른 것들 외에 단열 두께 및 효율, 냉각 유동 속도 및 온도를 포함하는 인자들에 의존한다. 추가적인 세부사항들은 도 9a-11b를 참조하여 이후에 설명된다. 일반적으로 효율은 특정한 구현예에 따라 40%, 45%, 50%, 55%, 60% 또는 65%를 초과할 수 있다.

열은 팽창기의 작동 유체 상류에, 또는, 다른 구현예들에서는, 팽창기 내에 제공될 수 있다. 따라서, 몇몇 구현예들이 분리된 압축기, 연소기 및 팽창기의 의미로 위에서 설명되었지만, 적어도 몇몇 구현예들에서는, 압축기 및 팽창기는 분리되고, 연소기는 적어도 어느 하나와 통합된다. 연소기를 팽창기와 결합하는 것(예를 들면, 팽창기에서 작동 유체를 연소하는 것)과 관련된 장점들은 분리된 연소기에 대한 필요성을 제거하는 것, 및/또는 (압축기에서 요구사항들을 감소시키기 위하여) 더 높은 압력을 달성하는 것을 포함한다. 팽창기 내의 연소 공정이 어떤 관점들(예를 들면, 구성 제품 흐름)을 형성하는데 최적이 아닐 수 있지만, 앞서 설명한 장점들은 적어도 몇몇 구현예들에서 이러한 요인들을 능가할 수 있다. 팽창기가 연소기와 결합되는 경우, 연소는 불꽃 점화, 압축, 및/또는 다른 형태의 점화에 의해 제공될 수 있다.

[표 1]은 연소 공정이 압축되고 회수된 공기에 압력을 상당히 부가하지 않는, 예를 들어, 연소 공정이 팽창기 외부에서 수행되는 분석을 반영한다. 다른 구현예들에서, 연소 공정은 압력을 증가시킬 수 있다. 한가지 방법은, 위에서 설명된 바와 같이, 흡기 밸브를 폐쇄한 후에 팽창기에서 연소 공정을 수행하는 것을 포함한다. 작동 유체가 밀폐되고 고정된 체적에서 가열되면, 압력은 일반적으로 온도 상승에 비례하여 상승될 것이다. 내연 엔진들은 이러한 효과를 가지며 이 효과의 크기는 팽창 공정의 속도에 대하여 연소 공정의 속도와 상관관계가 있다. 이러한 효과는 특히 해양 적용예들에서 사용되는 것과 같은 저속 디젤 엔진들에서 명백하다. 팽창기를 늦춤으로써, 압력 부스트가 기계적으로 공기/유체를 압축하는 데 필요한 부수적인 일 없이 순수하게 가열 공정에 의해 제공된다. 특히 왕복운동 기계들 및 상이한 정도까지 다른 PDM 기계들은 구성요소들이 방향을 전환할 때 증가된 스트로크, 더 높은 속도 및 더 높은 가속도로부터 기인하는 물리적인 한계점 때문에, 크기가 증가됨에 따라 통상적으로 속도가 낮춰질 필요가 있다. 동력 요구사항들이 증가됨에 따라, 배기량도 증가하고, 그리고 결과적으로 회전 속도는 가속도들이 합리적으로 유지되도록 낮춰져야만 한다. 이것은 높은 동력 PDM 기계들이 일반적으로 더 늦게 동작되는 한 가지 이유이다. 팽창 공정보다 주목말한하게 더 빠르게 완료하는 연소 공정으로부터 기인하는 효율 부스트는 증가된 압력을 발생시키며, 그렇게 하는 것은 대형 PDMs가 속도가 낮춰져야 하기 때문에 단위 동력당 더 많은 배기량을 요구하는 일반적인 문제에 대해 몇가지 경제적인 경감이 된다.

아래의 [표 2]는 열 부가가 임의의 실질적인 팽창이 발생하기 전에 완료되는 가정을 하면, 여기서 개시된 기술에 대한 이러한 압력 부스트의 효과를 나타낸다. 이것은 위에서 설명된 구현예들과 일반적으로 유사한 구현예들을 통하여 달성될 수 있으나, 압축된 작동 유체를 화학적 반응물들(공칭적으로 탄화수소 연료와 공기)과 함께 최소 배기량 가까이에서 팽창 챔버로 주입함으로써, 그리고 모든 밸브 또는 포트가 폐쇄된 동안 연소가 팽창기에서 발생하게 함으로써 달성될 수 있다. 몇몇 적용예들에 대해 가치 있는 구현예가 되는 것이 예상되는 본 기술에 대해 상당한 열역학적 효율 이익이 있다.

도 4는 본 기술의 다른 양태에 따라 구성된 에너지 변환 및 저장 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 도 1 및 2에 도시된 구현예들에 대하여 위에서 설명된 많은 동일한 요소들을 포함하며, 모두 도 1 및 2에서와 같이 동일한 부호를 갖는다. 명확성을 위하여, 도 1 및 2의 구현예들의 다양한 요소들은 하나의 에너지 추출 서브시스템(440)으로서 같이 그룹화된다. 전체 시스템(400)은 다방향 밸브(410), 압축된 제1 유체를 저장 압력으로 추가 압축하도록 동작 가능하게 구성된 유체 저장 압축기(420), 및 저장 압력으로 추가 압축된 제1 유체를 저장하기 위한 고압 유체 저장 체적(430)을 더 포함한다. 방향 밸브(410)는 반등온 압축기(110)와 회수기(150) 간의 고압 유체 라인(414)에 배치되며 선택가능하게 (a) 고압 라인에서 유동하는 압축된 제1 유체를 반등온 압축기(110)로부터 회수기(150)로 고압 라인(414)을 따라 안내하도록, (b) 압축된 제1 유체를 반등온 압축기(110)로부터 양방향 고압 라인(412)을 따라 고압 유체 저장 압축기(420)로 안내하도록, 또는 (c) 저장 압축된 제1 유체를 양방향 고압 라인(412)을 통하여 도달하는 고압 유체 저장 체적(430)으로부터 회수기(150)로 고압 라인(414)을 통하여 안내하도록 동작 가능하게 구성된다.

방향 밸브(410)를 통하여 고압 유체 저장 압축기(420)에 도달하는 반등온적으로 압축된 제1 유체는 유체 저장 압축기(420)에 의하여 적합한 저장 압력으로 압축되며, 고압 유체 저장 체적(430)에서 저장 압력으로 저장되도록 양방향 고압 라인(425)을 따라 안내된다. 저장 체적(430)은 하나 이상의 탱크, 지하 동굴, 및/또는 하나 이상의 수중 격납고 또는 다른 압축된 기체 저장 매체를 포함할 수 있다. 특정한 구현예들에서, 저장 체적(430)은, 예를 들면, 압축 중에 유체에 가해지는 열 에너지의 손실을 피하기 위하여 단열된다. 모든 이러한 구현예들에서, 제1 유체를 반등온적으로 압축하는 것은 다른 시스템 요소들에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 예를 들면, 그러한 시스템들은 여전히 고효율 수준으로 충분한 동력을 생성하면서 터보차저에 대한 필요성을 제거할 수 있다.

고압 유체 저장 체적(430)에 저장 압력으로 저장된 제1 유체는 에너지 추출을 위하여 에너지 추출 서브시스템(440)으로 방출될 수 있다. 일 구현예에서, 고압 유체 저장 압축기(420)는 바이패스 밸브(미도시된)로 맞춰질 수 있다. 바이패스 밸브는 저장 압력 하의 제1 유체가 고압 유체 저장 압축기(420)를 지나고 양방향 고압 라인(412)을 따라 다방향 밸브(410)로 유동하는 것을 가능하게 한다. 그러한 저장된 고압 유체 회수 조건들 하에서, 다방향 밸브(410)는 고압 제1 유체를 고압 라인(414)을 따라 회수기(150)로 안내하도록 조정된다. 이 시점부터 이후로, 제1 유체는 에너지 추출 서브시스템(440)에서 에너지 추출을 받게 된다. 에너지 추출 공정은 이미 위에서 설명된 것과 유사하거나 동일하며 회수기(150)에서 유체를 예열하는 단계, 히터(120)에서 예열된 유체를 가열하는 단계, 고온 흡기 밸브의 사용을 통하여 또는 적합한 회전 팽창기의 하나 이상의 부재들을 통하여 가열된 제1 유체의 팽창기(130)로의 유입을 제어하는 단계, 일을 수행하기 위하여 팽창기(130)에서 가열 압축된 제1 유체를 팽창시키는 단계, 및 배기 유체를 팽창기(130)로부터, 배기 유체가 다방향 밸브(410)로부터의 고압 제1 유체를 예열하기 위하여 사용되는 회수기(150)로 안내하는 단계를 포함할 수 있다.

본 기술의 다른 구현예에서, 유체 저장 압축기(420)는 다양한 상이한 동작 모드들 간에 구성 가능하다. 시스템(400)은 오직 압축하기만, 오직 팽창하기만 또는 동시에 팽창하고 압축하도록 동작될 수 있다. 특정한 동작 모드는 전기 그리드 운영자들, 또는 특정한 시간들 또는 조건들에서 잉여 동력을 제공하도록, 흡수하도록 또는 전달하도록 설계된 알고리즘들로부터 시스템으로의 신호들에 응답하여 선택될 수 있다. 다른 구현예에서는, 사용자가 프로그램과 독립적으로 구성을 변경하는 실시간 명령들을 제공할 수 있다. 위의 그러한 기능에 대한 설명은 압축 구성을 나타낸다. 팽창 구성에서, 저장 압력의 제1 유체는 고압 유체 저장 탱크(430)로부터 양방향 고압 라인(425)을 따라 유체 저장 압축기(420)로 방출되며, 거기서 팽창되고 유체 저장 압축기(420)는 일을 수행하기 위하여 사용된다. 따라서, 저장 압축기(420)는 역으로(예를 들면, 팽창기로서) 동작할 수 있고, 그렇게 함에 있어, 추가적인 에너지를, 예를 들면, 축 동력의 형태로, 추출할 수 있다. 일 구현예에서, 팽창된 공기는 방출된다. 이러한 조건들 하에서, 다방향 밸브(410)는 반등온 압축기(110) 및 에너지 추출 서브시스템(440)을 유체 저장 압축기(420) 및 고압 유체 저장 체적(430)을 포함하는 유체 회로로부터 분리하도록 사용자-구성되거나 자동으로 동작될 수 있으며, 유체 저장 압축기(420)의 바이패스 밸브는 폐쇄된다. 다른 구현예에서, 저장 체적(420)의 작동 유체는 (저장 압축기(420)를 통하여) 단지 부분적으로 팽창되어 고압 라인(414)을 통하여 에너지 추출 서브시스템(440)으로 전달되기 충분히 높은 압력으로 방출된다. 예를 들면, 작동 유체는 반등온 압축기(110)에서 방출된 후에 갖는 거의 동일한 압력을 갖도록 저장 압축기(420)를 통하여 팽창될 수 있다.

도 5는 본 기술의 다른 양태에 따른 에너지를 변환하기 위한 방법(500)을 도시한다. 방법(500)은 예를 들면, 반등온 압축기(110)에서 제1 유체를 반등온적으로 압축하는 단계(공정부(310))을 포함할 수 있다. 공정부(510)은 압축된 제1 유체가, 예를 들면 에너지 추출 서브시스템(440)에서, 에너지 추출하기(공정부(520)), 및 예를 들면, 유체 저장 체적(430)에서, 고압 저장하기(공정부(530)) 중 하나를 선택 가능하게 행하는 단계를 포함한다. 공정부(510)은 다방향 밸브(410)에 의해 수행될 수 있다. 공정부(510)은 반등온 압축기(110)로부터의 제1 유체를 압축하고(예를 들면, 추가 압축하고)(공정부(540)), 예를 들면, 고압 유체 저장 체적(430)에서, 제1 유체를 저장 압력으로 수집하는(공정부(550)) 저장소를 포함할 수 있다. 또한, 회수기(322)를 나온 후의 배기 유체는 예를 들면, 팽창기 및/또는 유체 수집/저장소 시스템 내의 또는 주변의 열교환기들로, 작동 유체를 가열하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 압축 에너지는 열에너지 매체(예를 들면, 물, 고체 또는 심지어 가열된 공기 자체)에 수용되고 저장될 수 있으며, 그 열은 팽창 공정에서 사용가능하게 될 수 있다. 즉, 열에너지 저장소를 구비한 단계별 단열 압축된 공기 에너지 저장소(CAES) 시스템은 또한 위에서 설명된 그리고 공정부(520)처럼 일반적으로 표시된 바와 같이 고효율로 가압된 공기를 축 동력으로 변환시키는 더 광범위한 에너지 시스템의 일부로서 사용될 수 있다.

공정부(520)는 도 1, 2 및 3을 참조하여 이미 설명된 공정들, 즉 예를 들면 회수기(150)에서 압축된 작동 유체를 예열하는 단계(공정부(320)); 예를 들면, 연료를 적어도 하나의 제2 반응물과 반응시킴으로써 히터(120)에서 압축된 작동 유체를 가열하는 단계(공정부(330)); 히터로부터 팽창기의 팽창 챔버로 압축되고 가열된 작동 유체의 유입을 제어하는 단계, 및 가열되고 압축된 작동 유체를 팽창기에서 팽창시키는 단계(공정부(340)); 및 일을 생성하기 위하여 작동 유체를 팽창시키는 단계(공정부(350))를 포함할 수 있다.

도 6은 본 기술의 다른 양태에 따라 에너지를 변환시키기 위한 방법(600)을 도시한다. 방법(600)은, 예를 들면, 반등온 압축기(110)에서 제1 유체를 반등온적으로 압축하는 단계(공정부(310)), 예를 들면, 유체 저장 체적(430)으로, 반등온적으로 압축된 제1 유체를 저장 압력으로 고압 저장하는 단계(공정부(530))을 포함할 수 있다. 공정부(610)은 압축된 제1 유체가 에너지 추출 공정(520)(예를 들면, 에너지 추출 서브시스템(440)에서) 및 팽창 공정(620)(예를 들면, 유체 저장 압축기(420)에서) 중 하나를 선택 가능하게 행하는 단계를 포함한다. 공정부(620)으로부터 기인하는 압축된 유체에 추가적인 에너지가 남아 있다면, 그러면 유체는 에너지 추출 공정(520)을 거칠 수 있다. 예를 들면,(연소 또는 압축열 이상 다른 원인에 의한) 외부 열 부가가 없는 단계별 단열 CAES 시스템은 에너지 추출 공정(520)으로부터 독립적으로, 또는 최종 팽창이 모두 대기압으로 또는 공정부(520)의 입구 압력으로 인지 여부에 따라, 그것과 직렬로 동작될 수 있다. 그렇지 않을 경우 유체는 추가적인 에너지 추출없이 방출될 수 있다. 에너지 추출 공정(520)은 도 1, 2 및 3를 참조하여 이미 설명된 공정들, 즉 예를 들면, 회수기(150)에서, 압축된 작동 유체를 예열하는 단계(공정부(320)); 연료를 적어도 하나의 제2 반응물과 반응시킴으로써 압축된 작동 유체를 가열하는 단계(공정부(330)); 히터로부터 팽창기의 팽창 챔버로 압축되고 가열된 작동 유체의 유입을 제어하는 단계(공정부(340)); 및 가열되고 압축된 작동 유체를 팽창기에서 팽창시키는 단계(공정부(350))을 포함할 수 있되, 예열하는 단계는 팽창 공정으로부터의 배기 작동 유체의 열을 사용한다.

현재 개시된 기술에 기초한 설계들은 일반적으로 제2 또는 후속 단계들보다 제1 압축 단에 대해 상당히 더 많은 배기량 체적을 요구하는 반등온 압축기(110)에서 다중 압축 단들을 포함할 수 있으며, 팽창기(136)는 작동 유체의 가열 및 체적 팽창으로 인해 압축기(110)보다 상당히 더 큰 배기량 체적을 요구한다. 이러한 고려사항들은, 만약 왕복운동 용적형 기계들을 사용한다면, 상대적으로 큰 수의 피스톤들을 시사한다.

본 기술의 특정한 구현예에서, 상용 V-8 디젤 엔진의 수정된 실린더 조립체는 왕복운동 팽창기(136)로서 매우 잘 기능한다. 그러한 표준 상용 서브시스템들을 이용하는 능력은 상이한 상용 구현예들에서 본 기술의 실용적인 구현에 중요한 가치가 있다. 일 실시예는 3 개의 V-9 엔진 블록들을 사용한다. 하나의 V-8 블록의 6개의 실린더들은 제1 압축 단을 위하여 사용되며, 두 개의 남은 실린더들은 제2 압축 단을 위하여 사용된다. 다른 두 개의 V-8 엔진 블록들은 팽창의 16개 실린더들을 제공한다. 다른 실시예들은 반등온 압축기를 위한 것보다 팽창기(136)를 위한 더 큰 피스톤 배기량을 구비한 블록들을 사용하거나 압축의 두 개의 단계들을 위한 두 개의 상이한 블록들을 사용한다.

도 7은 현재 개시된 기술의 특정한 구현예들에 따라 사용을 위한 엔진 시스템(700)의 부분들의 부분 도식도이다. 엔진 시스템(700)은 다중 엔진 블록들(701)(제1 엔진 블록(701a) 및 제2 엔진 블록(701b)로 도시된))을 포함하되, 각각은 다중 실린더들(702)(예를 들면, 블록당 8 실린더)을 구비한다. 블록들(701)은 위에서 설명된 것들과 일반적으로 유사한 공정들을 수행하도록 적용될 수 있고, 개조될 수 있고/있거나 구성될 수 있는 현존하는 자동차 및/또는 산업용 장치들이 될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 실린더들(702)은 연소(또는 다른 형태의 열 부가) 전에 기체를 압축하기 위하여 사용될 수 있고, 다른 실린더들(702)은 연소된 또는 다르게 가열된 공기를 팽창시키기 위하여 사용될 수 있다. 상이한 실린더들은 단위 블록 기초로, 또는 단위 실린더 기초로, 예를 들면, 실린더 체적을 감소시키기 위하여 라이너, 피스톤 캡, 및/또는 다른 요소를 부가함으로써 상이한 체적들을 가질 수 있다. 따라서, 동일한 블록은 다중 단계 압축 및/또는 다중 단계 팽창을 가능하게 하기 위하여 사용될 수 있다.

도 8은 도 7를 참조하여 위에서 설명된 유형의 특정한 블록의 세부사항들을 도시한다. 따라서, 도 8은 팽창기(800) 및 피스톤(840)이 왕복운동하는 팽창 실린더(802)를 도시한다. 팽창기(800)는 고온 흡기 밸브(740) 및 배기 밸브(830)를 수용하는 밸브 하우징(810)을 더 포함할 수 있다. 세라믹 라이너(805)는 흡기 밸브(840)에서 밸브 하우징(810) 내에 위치될 수 있다. 밸브의 내부 공동 또는 통로(815)는 통상의 연소기(도 8에는 미도시된)로부터 다중 밸브 포트들(820)을 이송하는 고온의 기체 매니폴드로서 동작할 수 있다. 전체 밸브 조립체가 회전함에 따라 흡기 포트(825)가 밸브 포트와 정렬되는 경우, 실린더 헤드의 고온의 기체 흡기 포트(825)는 기체가 실린더 내로 유동하게 한다. 배기 또는 배출 밸브(830)는 포트 정렬 및 단열의 유사한 기술들 또는 냉각 기술들을 사용할 수 있으며 피스톤(840)의 운동에 대하여 시기가 정해진다.

다른 구현예들에서, 밸브의 선택된 요소들은, 엔진 냉각제 또는 적합한 냉각제인 미연소 공기로 냉각될 수 있다. 다른 구현예들에서는, 내화성 금속 또는 세라믹과 같은 고온 성능을 구비한 재료들이 사용될 수 있다. 또 다른 구현예들에서, 전술한 특징들이 결합될 수 있다. 현존하는 내연 엔진들의 배기 밸브 작동에서 이러한 문제들이 알려져 있지만, 본 기술은 이미 설명된 더 높은 온도들에서 실린더들에 입력들이 필요하다.

내연 엔진들에 사용되는 종래 엔진 블록들과 다르게, 도 7 및 8에 도시된 실린더들에서는 연소가 발생하지 않는다. 대신에, 실린더들은 압축 및/또는 팽창을 위하여 사용되며, 연소는 분리된 체적에서 발생한다. 적합한 연소기의 추가적인 세부사항들이 밸브들의 세부사항들과 함께 도 9b 및 9c를 참조하여 아래에 설명될 것이다.

도 9a는 본 기술의 구현예에 따라 구성된 시스템(900)의 구성요소들의 부분 도식적인, 부분 절개도이다. 이 구현예의 특정한 양태에서, 시스템(900)은 도 7 및 8을 참조하여 위에서 설명된 것과 일반적으로 유사한 엔진 블록을 포함한다. 다른 구현예들에서, 아래에 설명된 시스템들은 다른 의미로 구현될 수 있다. 이러한 구현예들 모두에서, 시스템(900)은 연소 생성물들 또는 다른 가열된 유동을 수용하고, 유동을 팽창시키고 축 동력을 생성함으로써 유동으로부터 에너지를 추출하는 다중 실린더(902)를 구비하는 팽창기(910)를 포함할 수 있다. 전체 엔진 시스템(900)은 팽창 중에 실린더들 내로 그리고 실린더들 외부로 유동을 제어하기 위한 밸브 시스템(920)을 포함한다. 밸브 시스템(920)이 매우 높인 온도에서 연소 생성물들을 수용하기 때문에, 과도하게 전체 효율을 희생하지 않으면서, 그러한 온도들을 설명하도록 특별히 구성되고 동작될 수 있다. 그러한 기능들을 수행하기 위한 특정한 구현예들의 세부사항들인 아래에서 더 설명된다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 밸브 시스템(920)은 실린더들(902)의 열 또는 다른 배열 위에 위치된 밸브 하우징 또는 바디(921)를 포함할 수 있으며, 다중 밸브 요소들(922), 예를 들면 흡기 밸브 요소(922a) 및 배기 밸브 요소(922b)를 포함할 수 있다. 흡기 밸브 요소(922a)는 고온의 연소 생성물들을의 유동을 실린더(902) 내로 제어하며, 배기 밸브 요소(922b)는 팽창되고 냉각된 기체의 유동을 실린더(902) 외부로 제어한다. 따라서, 흡기 밸브 요소(922a)는 밸브 흡기 포트(923)을 포함할 수 있고, 배기 밸브 요소(922b)는 밸브 배기 포트(924)를 포함할 수 있다. 두 밸브들(922)은 회전을 가능하게 하기 위하여 일반적으로 원통형 형상을 가질 수 있다. 밸브들(922)이 회전함에 따라(화살표들 R로 표시된), 밸브들의 포트들은 실린더들(902)의 내로 그리고 외부로 유동을 가능하게 또는 제한하기 위하여 상응하는 실린더의 포트들과 정렬된다. 부품들이 상이한 회전 위치로 이동하면, 밸브들(922)은 실린더들(902) 내로 그리고 외부로 유동을 차단한다.

밸브 요소들(922) 각각은 밸브들을 통과하는 기체의 고온으로부터 밸브 요소들을 보호하기 위한 단열부(926)를 포함할 수 있다. 단열부(926)는 기체들이 실린더(902) 내로 또는 외부로 가는 도중에 통과하는 중심의, 환형 유동 통로(925)에 인접하여 위치될 수 있다. 일반적으로, 흡기 밸브 요소(922a)는 배기 밸브 요소(922b)보다 더 높은 온도들을 겪게 될 것이며, 따라서 부가적인 단열부 및/또는 다른 냉각 특징들, 예를 들면, 아래에 더 설명되는 바와 같은 능동 냉각 특징들을 포함할 수 있다.

도 9a에 도시된 구현예에서, 흡기 밸브 요소(922a)의 단열부(926)는 제1 라이너(927a) 및 제2 라이너(927b)로서 도시된, 두 개의 라이너들(927)의 형태이다. 라이너들(927)은 세라믹 또는 다른 적합한 고온 재료로부터 형성될 수 있다. 제1 라이너(927a)는 제2 라이너(927b)로부터 환형으로 외측으로 위치되며, 제2 라이너(927b)는 중심 유동 통로(925)의 내부 표면을 형성할 수 있다. 제1 라이너(927a)는 제1 냉각 통로들(928a)를 포함하며, 제2 라이너(927b)는 제2 냉각 통로들(928b)을 포함한다. 냉각 유체(예를 들면, 공기와 같은 기체, 또는 물과 같은 액체)의 유동은, 화살표 A에 의해 표시된 바와 같이, 제1 냉각 통로들(928a)을 통과하여, 그 다음에, 화살표 B에 의해 표시된 바와 같이, 제2 냉각 통로들(928b)를 통과하여 돌아오며, 화살표 C에 의해 표시된 바와 같이, 중심 통로(925)로 통과하는 연소 생성물들과 혼합된다. 따라서, 냉각 유동은, 가열되면, 전체 시스템(900)으로부터 부가적인 일을 추출하기 위하여 연소 생성물을 따라 팽창된다.

배기 밸브 요소(922b)는 흡기 밸브 요소(922a)보다 더 간단한 장치, 예를 들면, 냉각 통로 없이, 단일 층의 단열부(926)를 구비할 수 있다. 다른 구현예들에서, 배기 밸브 요소(922b)는 배기 밸브 요소를 통과하는 기체의 온도에 따라서 능동 냉각 통로 및/또는 다른 냉각 장치들을 포함할 수 있다.

도 9b는 도 9a를 참조하여 위에서 설명된 것과 일반적으로 유사한, 연소기(940)와 유체 연통하게 위치된 흡기 밸브 요소(922a)의 구현예의 부분 도식적인, 절개도이다. 연소기(940)는 연소기 입구(945) 및 연소기 출구(946)를 포함한다. 연소기 입구(945)는 연소기(940)에 반응물들을 제공하는 연소기 흡기 매니폴드(941)에 연결된다. 연소기 흡기 매니폴드(941)는 압축 공기 입구(942), 연료 입구(943), 및 점화 소스(944), 예를 들면, 불꽃 소스, 화염 홀더, 및/또는 연소기(940) 내에서 연소 반응을 시작하고, 제어하고/하거나 유지하기 위한, 그리고/또는, 예를 들면 NOx 또는 CO와 같은 종들의 생성을 제어함으로써 연소 생성물들의 조성을 최적화하거나 향상시키는 다른 적합한 장치를 포함할 수 있다. 이어서 연소 생성물들은, 화살표 C에 의해 표시된 바와 같이, 연소 출구(946)로부터 흡기 밸브 요소(922a)로 안내된다.

흡기 밸브 요소(922a)가 위치되는 밸브 하우징(921)은 압축 공기 또는 다른 냉각제를 제1 라이너(927a)의 제1 유동 통로들로 안내하는 하나 이상의 냉각 유동 유입기들(929)(도 9b에서 3개를 볼 수 있다)을 포함할 수 있다. 냉각 유동 유입기(들)(929)은 압축 공기 입구(942)와 같이 압축 공기의 동일한 소스에 연결될 수 있거나 또는 압축 공기의 다른 소스에 연결될 수 있다. 어느 구현예에서도,냉각 유동 유입기(929)에 의해 제공되는 압축 공기는 중심 유동 통로(925)로 안내되는 연소 유동 생성물들보다 상당히 더 저온이다.

도 9c는 도 9b를 참조하여 위에서 설명된 시스템(900)의 일부의 확대도이다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 베어링(930)은 환형 유동 통로(925)의 주축 주위로 회전을 위해 흡기 밸브 요소(922a)를 지지한다. 냉각 유동 유입기들(929)은 제1 냉각 통로들(928a)과 반경방향으로 정렬된다. 도 9c에 도시된 구현예에서, 냉각 유동 유입기들(929)은 제1 밸브 요소(922a)가 회전함에 따라 상응하는 제1 냉각 통로들(928)과 간헐적으로 정렬한다. 다른 구현예들에서, 단일 냉각 유동 유입기(929)(예를 들면, 360도 매니폴드)는 연속적인 기초로 냉각 유동을 제공할 수 있다. 모든 전술한 구현예들에서, 냉각 유동은 화살표 A에 의해 표시된 바와 같이 제1 냉각 통로들(928a)로 들어가서 제2 냉각 통로들(928b)를 통하여 연소기 출구(946)에 근접한 영역으로 돌아온다. 냉각 유동이 제1 냉각 통로들(928a)로부터 제2 냉각 통로들(928b)로 재안내되는 장치의 추가적인 세부사항들은 도 9d를 참조하여 더 아래에서 설명된다.

도 9d는 도 9c에서 도시된 연소기 출구(946)으로부터 윈위에 위치된 팽창기(910)의 일부를 도시한다. 이 영역에서, 제1 밸브 요소(922a)는 중심 유동 통로(925)의 경계선을 형성하는 밸브 단부벽(932)을 포함한다. 환형의 회귀 통로(931)은 단부벽(932)에 인접하여 위치될 수 있다. 냉각 유동이 제1 냉각 통로들(928a)의 노출된 단부들을 나와서 회귀 통로(931)로 그리고 이어서 제2 냉각 통로들(928b)로 통과한다. 이어서 냉각 유동은, 도 9c를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 연소기 출구에 근접한 연소 생성물 유동(C)과 혼합된다.

팽창기의 특정한 구현예들이 회전 밸브 시스템을 포함하면서 도 9a-9d의 의미에서 위에 설명되었다. 다른 구현예들에서, 팽창기는 다른 구성들을 구비한 밸브 시스템들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 밸브 시스템은 포핏 밸브들을 포함할 수 있다. 도 10a-10d는 본 기술의 특정한 구현예들에 따라 구성된 대표적인, 냉각된, 포핏 밸브 장치를 도시한다.

우선 도 10a을 참조하면, 포핏 밸브 시스템(1020)은 포핏 밸브(1022)를 수용하는 밸브 하우징(1021)을 포함한다. 포핏 밸브(1022)는, 예를 들면, 종래 자동차 엔진들의 그것들과 일반적으로 유사한 방법으로, 아래의 실린더 내로 연소 생성물들(C)의 유동을 허용하거나 차단하기 위하여 상하방으로 왕복운동한다. 포핏 밸브(1022)는 냉각 유동을 밸브 하우징(1021)에 의해 수용된 유입기(1029)로부터 전달받는 내부 냉각 통로(1028)를 포함할 수 있다. 내부 냉각 통로(1028)은 도 10a에 도시된 특정한 구현예에서는 상대적으로 작은 통로 출구(1033a)를 갖는다.

도 10b에 도시된 구현예에서, 내부 냉각 통로(1028)는 포핏 밸브(1022)의 단부에 부가적인 냉각을 제공할 수 있는 플레어드 통로 출구(1033b)를 포함할 수 있다. 도 10c에 도시된 다른 배열에서, 포핏 밸브(1022)는 다중 통로 출구들(1033c)를 갖는 다중 유동 통로들(1028)을 포함한다.

도 10d에 도시된 또 다른 구현예에서, 포핏 밸브(1022)는 내부 냉각 통로를 포함하지 않는다. 대신에, 유입기(1029)가 포핏 밸브(1022)의 외부 표면 주위로 외부 냉각 필름(D)을 안내한다. 다른 구현예들에서, 외부 냉각 필름(D)은 도 10a-10c을 참조하여 위에서 설명된 구성들 중 임의의 것을 구비한 내부 냉각 통로들을 보조할 수 있다.

적어도 몇몇 구현예들에서, 전체 엔진 시스템의 다른 요소들은 시스템의 전체 효율을 증가시키기 위하여 그리고/또는 재료 제한사항들 내에서 국부 온도들을 유지하기 위하여 냉각될 수 있다. 예를 들면, 도 11a는 팽창 실린더(1102) 및 관련된 피스톤의 평면도이다. 도 11b는 대체로 도 11a의 선 11b-11b를 따라 취해진, 도 11a에 도시된 실린더 및 피스톤의 부분 도식적인, 단면도이다. 우선 도 11a를 참조하면, 실린더(1102)는 실린더 벽(1103) 및 벽(1103)으로부터 반경방향 내측으로 배치된 단열 라이너(1104)를 포함한다. 피스톤(도 11a에서 보이지 않는)은 라이너(1104)로부터 반경방향 내측으로 위치된 피스톤 캡(1107)을 포함한다. 피스톤 캡(1107)은 간극(1108)만큼 라이너(1104)로부터 이격되어 있다. 피스톤 캡(1107)은 피스톤(1102) 내에서 고온으로부터 피스톤 하부를 보호하기 위하여 그리고/또는 팽창하는 유체의 온도 손실을 감소시키기 위하여 단열 재료로 형성될 수 있다. 피스톤 캡(1107) 및 전체 시스템의 다른 단열 요소들에 대해 적합한 재료들은 세라믹, 예를 들면, 알루미나, 지르코니아, 및/또는 이러한 재료들의 합금들을 포함한다.

피스톤 및 실린더(1102)을 더 보호하기 위하여, 실린더 벽(1103)은 유동 분사기 통로(1129)를 포함할 수 있다. 유동 분사기 통로(1129)는 냉각 유동을 원주 분포 채널(1109a)로 안내하며, 원주 분포 채널은 차례대로 냉각 유동을 도 11a의 평면으로부터 내측으로 연장되는 하나 이상의 축방향 분포 채널들(1109b)로 안내한다. 일 구현예에서, 원주 분포 채널(1109a)는 실린더 벽(1103)에 형성되고, 축방향 분포 채널들(1109b)은 라이너(1104)에 형성된다. 다른 구현예들에서, 이러한 원주 및 축방향 분포 채널들(1109a, 1109b)은 역으로 될 수 있거나, 채널들의 양 형태 모두 라이너(1104) 또는 실린더 벽(1103)에 의해 수용될 수 있다.

이제 도 11b를 참조하면, 피스톤 캡(1107)은 피스톤(1105) 위에 위치되며, 피스톤은 이어서 크랭크(1106)에 연결된다. 동작 시에, 냉각 유동은 유동 분사기 통로(1129)로 안내되고, 원주 분포 채널(1109a)를 통하여 실린더(1102) 주위 원주방향으로 통과하여(도 11a) 축방향 분포 채널들(1109b)을 통하여 라이너(1104)와 실린더 벽(1103) 간의 인터페이스에서 하방으로 통과한다(도 11b에서 둘 중 하나는 볼 수 있다). 이어서 냉각 유동은 피스톤 캡(1107)과 라이너(1104) 간의 간극(1108)에서 상방으로 통과할 수 있다.

일 구현예에서, 냉각 유동은 피스톤(1105)의 하방 스트로크 중에만 실린더(1102)로 안내될 수 있다. 이러한 동작은 유동 분사기 통로(1129)에 연결된 밸브에 의하여 또는 피스톤(1105)에 의하여 제어될 수 있다. 예를 들면, 피스톤(1105)이 실린더(1102) 내에서 상승함에 따라, 그것이 생성하는 추가적인 압력은 유동 분사기 통로(1129)를 통하여 추가적인 냉각 유동이 들어가는 것을 차단할 수 있다. 모든 구현예에서, 실린더(1102)는 또한 냉각 유동의 적어도 일부분이 피스톤 캡(1107) 위의 배기 유동과 혼합되지 않고 실린더(1102)에서 방출될 수 있게 하는 배출 포트(1135)를 포함할 수 있다. 이어서 이러한 배출된 냉각 유동은 배출된 냉각 유동의 온도와 압력에 따라서 회수기, 연소기, 및/또는 시스템의 다른 요소들로 안내될 수 있다. 배출된 냉각 유동은 직접적인 혼합을 통하여, 또는 벽 또는 다른 표면을 통한 열 전달을 통하여 열을 전달할 수 있다.

도 11c는 실린더(1102) 위에 위치된 밸브 하우징(1121)을 구비한, 도 11a 및 11b를 참조하여 위에서 설명된 실린더(1102)의 부분 도식적인 단면도이다. 밸브 하우징(1121)은 흡기 및 배기 밸브 요소들(1122a, 1122b)를 포함할 수 있으며, 각각은 중심 통로(1125)를 구비한다. 밸브 포트들 및 상응하는 실린더 포트들은 도 11c에서는 보이지 않는다. 밸브 요소들(1122a, 1122b)은 단열부(1134)의 구역 또는 다른 체적에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 밸브 하우징(1121)은 냉각 유동을 하나 이상의 상응하는 냉각 통로들(1128)로 안내하는 밸브 유동 분사기 통로(1129a)를 포함할 수 있다. 냉각 통로들(1128)은 단열부(1134)와 밸브 하우징(1121) 간의 인터페이스를 냉각한다. 냉각 유동은 하나 이상의 냉각 유동 출구 포트(1135a)를 통하여 밸브 하우징(1121)에서 배출된다. 배출된 냉각 유동은 배출된 냉각 유체의 압력 및 온도에 따라서, 위에서 설명된 바와 같이 다른 시스템 요소들(예를 들면, 회수기 또는 연소기)에 의해 재사용될 수 있다. 특정한 구현예에서, 밸브 하우징(1121)으로부터 배출되는 냉각 유동은 도 11a-11b를 참조하여 위에서 설명된 방식으로 실린더 냉각을 제공하기 위하여 재안내될 수 있다.

위에서 설명된 재생 냉각 구현예들은 고온의 기체 구성요소들로부터 열을 얻을 수 있고, 시스템으로 열을 돌려줄 수 있으며, 예를 들면, 작동 유체로 열을 돌려줄 수 있다. 재생 냉각이 효과적으로 수행되면, 장치(예를 들면, 팽창기)의 외부를 단열하는 것은 시스템의 열 손실을 더 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 그러한 단열은 재생 냉각이 시스템의 단열된 부분을 다른 수용할만한 온도들로 유지하기에 충분하거나, 냉각 메커니즘이 내부 또는 외부 생산 공정(예를 들면 열병합 발전/공간 난방)을 위하여 사용되는 경우에만 유용하다. 얻어진 열이 유용한 목적을 가지고 있다면, 그러면 외부 단열은 종종 유용하다. 그렇지 않다면, 종종 수동적인 대류 냉각이 수용할만한 시스템 온도들을 유지하는데 도움이 되는 저렴한 방법이다. 유사한 분석이 압축기에 적용될 수 있다. 수집된 열이 사용될 예정이면, 그러면 압축기는 단열될 수 있으며 더 많은 열 수집을 가능하게 한다. 그러나, 압축기에서, 더 저온의 기체가 더 밀도가 높아 압축하는데 더 적은 일이 필요하기 때문에 기계를 통한 열 손실은 사실상 압축 공정을 더욱 효율적으로 만든다. 따라서, 압축기들은 작동 유체로부터 열을 추출하도록 설계될 수 있으나, 그렇게 하는 것은 손실된 열이 동력 출력에서 감소로 발생하는 팽창기들의 반대이다. 열이 수집될 수 있고 유용한 기능을 구비하면, 단열은 유용하다. 그렇지 않으면, 그러면 압축기들은 가능한 한 저온으로 그리고 팽창기들은 가능한 한 고온으로 가동하는 것이 통상적으로 바람직하다.

위에서 설명된 시스템들의 몇몇 구현예들은 왕복운동 용적형 기계들의 의미에서 설명되었다. 다른 구현예들에서, 전체 시스템은 회전 용적형 기계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 12a는 본 개시의 구현예에 따라 구성된 통합 열교환기(1258a)를 구비한 회전 용적 장치(1205a)의 부분 도시적인 등측도이다. 시스템(1205a)는 한 방향으로 회전함으로써 팽창기로서, 그리고 반대 방향으로 회전함으로써 압축기로서 동작할 수 있는 용적형 기계이다. 따라서, 두 개의 그러한 장치들이 위에서 설명된 모든 시스템들을 형성하기 위하여 연소기와 함께 사용될 수 있다. 하나의 그러한 장치는 도 4를 참조하여 위에서 설명된, 유체 저장 압축기(420)로서 동작할 수 있다. 적합한 회전 압축기/팽창기의 추가적인 세부사항들은 이전에 참조로서 여기에 포함된, 동시 계속 미국 출원 번호 13/038,345호에서 설명된다.

장치(1205a)는 내벽(1220) 및 외벽(1222)를 구비한 챔버 하우징(1218)(예를 들면, 압축기 및/또는 팽창기 챔버), 압력-수정 챔버(1224), 축(1234)에 회전가능하게 연결된 로터(1232), 제1 및 제2 통로들(1214, 1216), 및 챔버(1224)와 개별 통로들(1214, 1216) 간에 유체 연통을 제공하는 챔버(1224) 내의 제1 및 제2 포트들(1226)을 포함할 수 있다. 열교환기(1258a)는 챔버 하우징(1218) 및 통로들(1214, 1216)의 반경방향 외부로 위치된다. 열교환기(1258a)는 회전 용적 장치(1205a)가 압축기로서 동작하는 경우 인터쿨러로서 동작할 수 있다. 열교환기(1258a)는 가열된 또는 냉각된 열교환기 유체를 이송하는 하나 이상의 열교환기 공급 튜브들(1259)을 포함한다. 도시된 구현예에서, 열교환기(1258a)는 챔버 하우징(1218)의 일부분을 둘러싸며 압력-수정 챔버(1224)로부터 작동 유체와 유체 연통한다. 구체적으로, 제2 포트(1228)를 통하여 챔버(1224)에서 배출되는 작동 유체는 열교환기(1258a)와 접촉하기 위하여 화살표 F1 방향으로 반경방향 외측으로 제2 통로(1216)을 통하여 열교환기 통로(1256)으로 유동한다.

시스템은 내면(1252) 및 외면(1254)를 구비한 외부 하우징(1250)(도 12a에서 도시된 것의 일부)을 더 포함한다. 외부 하우징(1250)은 챔버 하우징(1218), 압력-수정 챔버(1224), 통로들(1214, 1216), 및 열교환기(1258a)를 적어도 부분적으로 둘러싸고/둘러싸거나 수납할 수 있다. 몇가지 구현예들에서, 열교환기(1258a)를 통과하는 가압된 작동 유체는 작동 유체를 수용하는 압력 용기로서 역할을 하는 외부 하우징(1250)의 내면(1252)과 접촉한다. 압력 용기로서 외부 하우징(1250)의 내부를 사용하는 것은 압력-수정 챔버(1224)와 포트들(1226, 1228), 통로들(1214, 1216), 및 열교환기(1258a) 간의, 그리고 다중 단계 시스템들에서 일 단계와 그 다음 단계 간의 몇가지 파이프-이음매들 및 통로들에 대한 필요성을 제거한다.

도 12a에 도시된 열교환기(1258a)는 핀(finned)-튜브 열교환기이다. 다른 구현예들은 원통다관형(쉘-튜브) 열교환기들, 판형 열교환기들, 기체 대 기체 열교환기들, 직접 접촉 열교환기들, 유체 열교환기들, 상-변화 열교환기들, 폐열 회수 장치들, 또는 다른 형태의 열교환기들과 같은 다른 형태의 열교환기들을 포함할 수 있다.

열교환기 유체는 담수, 해수, 증기, 냉각제, 기름, 또는 다른 적합한 기체상 액체 및/또는 이상성 유체를 포함할 수 있다. 열교환기(1258a)는 양방향 압축기/팽창기를 지지하기 위하여 압축 및 팽창 모드 모두로 동작할 수 있으며, 유동이 챔버(1224)로 들어가기 전 또는 후에 압축된/팽창된 유동과 상호작용할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 열교환기 유체는 장치 동작의 압축 및 팽창 모드 모두에 대해 동일하지만(장치가 압축 및 팽창 모두에 사용되는 경우), 다른 구현예들에서는, 서로 다른 열교환기 유체들이 사용된다. 몇몇 구현예들에서, 압축 모드에서 동작 중에 가열되는 열교환기 유체는, 예를 들면, 팽창 단계에서 동작 중에 사용되는 외부 축열 저장소에, 저장될 수 있다. 열교환기(1258a)는 금속, 세라믹 또는 플라스틱을 포함하는 다수의 적합한 재료들 또는 재료들의 조합들로 제작될 수 있다. 몇가지 구현예들에서, 열교환기는 다양한 열교환기 유체들의 사용이 가능하도록 부식-방지 재료들(예를 들면, 구리, 백동, 티타늄, 강철 및 다른 것들)로 적어도 부분적으로 제작될 수 있다.

도 12b를 참조하여 아래에 더 자세하게 설명될 바와 같이, 다중 압력-수정 챔버들(1224)(예를 들면, 단계들)은 유체로 연결될 수 있고 직렬로 동작할 수 있다. 몇몇 다단계 구현예들에서, 방사형 열교환기(1258a)는 다중 챔버 하우징들(1218)의 외벽(1222)을 따라서 축방향으로 연장된다. 그러한 구현예에서, 압축된/팽창된 작동 유체는 제1 단계(화살표 F1에 의해 표시된 바와 같이)의 제1 포트(1228)로부터 반경방향 외측으로, 열교환기(1258a) 내로, 열교환기(1258a)를 따라 축방향으로, 그리고 이어서 제2 압력-수정 챔버(미도시된)의 제2 포트로 들어가기 위하여 반경방향 내측으로 이동한다. 시스템이 압축 모드에서 동작하는 경우, 작동 유체는 단계들 간에 냉각될 수 있다. 시스템이 팽창 모드에서 동작하는 경우, 작동 유체는 단계들 간에 가열될 수 있다. 단계간 가열 및 냉각은 장치(1205a) 및 동작 효율의 전체 시스템을 박탈할 수 있는 단계들 간의 온도 변화들을 감소시킬(예를 들면, 최소화시킬) 수 있다. 통로들(1214, 1216)의 작동 유체를 챔버 하우징(1218))로부터 반경방향 외측으로 안내함으로써, 시스템은 단계들간 압력 진동을 감소시킬 수 있고 상당한 열교환기 길이를 허용할 수 있다.

도 12b는 본 개시의 다른 구현예에 따른 다중 통합 열교환기들(1258b)를 구비한 다단계 회전 용적 장치(1205b)의 부분 도식적인, 등측 측면도이다. 장치(1205b)는 축(1234)를 따라 축방향으로 정렬된 다단계들(단계들(1272-1275)로 개별적으로 번호가 매겨진)을 포함한다. 명확성을 위하여, 축(1234)에 의하여 수용된 로터들은 도 12b에 도시되지 않는다. 각각의 단계는 제1 및 제2 포트들(1226, 1228), 제1 통로(1214), 및 제2 통로(1216)를 구비하는 챔버 하우징(1218)를 포함할 수 있다. 각각의 단계(1272-1275)는 또한 상응하는 챔버 하우징(1218)에 축방향으로 인접하여 위치된 하나 이상의 격벽들(1262)을 포함할 수 있다.

장치(1205b)는 압축/팽창 단계들(1272-1275) 간에 축방향으로 정렬된 다축 열교환기(1258b)을 더 포함한다. 열교환기들(1258b)은 제1 및/또는 제2 통로들(1214, 1216)의 작동 유체와 유체 연통한다. 구체적으로, 작동 유체는 팽창을 위하여 화살표 F2 방향으로 일 단계에서 다음 단계로, 또는 압축을 위하여 반대 방향으로 이동한다. 예를 들면, 작동 유체는 상응하는 제2 포트(1228)을 통하여 제1 단계(1272)에서 배출되어 이어서 축방향으로 인접한 열교환기(1258b)로 축방향으로 유동한다. 그 다음에 작동 유체는 인접한 단계(1273)의 제1 포트(1226)로 유입되고, 작동 유체가 도 12b에서 우측으로부터 좌측으로 이동함에 따라 공정이 반복된다. 몇몇 구현예들에서, 작동 유체는 제2 통로(1216)로부터 열교환기(1258b)로 직접 이동하며, 다른 구현예들에서는 작동 유체가 인접한 격벽(1262)의 하나 이상의 구멍들을 통하여 인접한 열교환기(1258b) 내로 이동한다. 작동 유체는 열교환기(1258b)에서 열에너지를 전달하며 계속해서 축방향으로 제1 통로(1214) 및 인접한 제2 단계(1273)의 제1 포트(1226)로 이동한다. 이어지는 단계들의 제1 포트(1226) 및 제2 포트(1228)는 작용 유체를 장치(1205b)를 통하여 더 잘 안내되도록 서로에 상대적으로 시계방향 또는 반시계방향으로 오프셋될 수 있다.

도 12a를 참조하여 위에서 설명된 방사형 열교환기(1258a)와 같이, 방사형 열교환기(1258b)는 양방향 압축기/팽창기를 지지하기 위하여 압축 및 팽창 모드 모두에서 동작할 수 있다. 위에서 설명된 모든 형식의 열교환기들 및 열교환기 유체들은 축 열교환기(1258b)에서 또한 사용될 수 있다. 3개의 열교환기들(1258b) 및 4개의 압축/팽창 단계들(1272-1275)이 도 12b에 도시되지만, 다른 구현예들은 더 많은 또는 더 적은 단계들 및/또는 열교환기들(1258b)을 포함할 수 있으며, 단계들(1272-1275) 및 열교환기들(1258b)의 배치는 변할 수 있다. 예를 들면, 다단계 설계가 통합 열교환기를 구비하지 않은 시스템들에서 사용될 수 있다. 또한, 압축/팽창 단계들(1272-1275) 및 열교환기들의 축방향 길이는 시스템(1205b) 내에서 변할 수 있다. 예를 들면, 축방향 길이들을 다르게 하는 것은 단계별로 작동 유체의 변하는 밀도 때문에 일 단계에서 다음 단계로 대체로 일관된 압력비들을 유지하기 위하여 사용될 수 있다.

위에서 설명된 에너지 시스템들의 몇가지 구현예들의 한가지 특징은 수송 의미에서 사용되기 위하여 및/또는 한 장소에서 다른 장소로 이동시키기 위하여 그것들이 상대적으로 컴팩트하고 휴대가능하게 제작될 수 있다는 것이다. 도 13a-13d를 참조하여 아래에 설명된 특정한 구현예에서, 엔진 시스템은 컨테이너에 수납될 수 있다. 예를 들면, 도 13a로 시작하면, 본 개시의 구현예에 따라 구성된 엔진 시스템(1300)이 컨테이너(1350)에 수납된다. 컨테이너(1350)는 현존하는 컨테이너 취급 장치들에 적합하도록 표준 크기 및 구성을 구비할 수 있다.

도 13b는 도 13a에 도시된 엔진 시스템(1300)의 부분 도식도이다. 엔진 시스템(1300)은 도 1-12를 참조하여 위에서 설명된 모든 구성요소들을 포함할 수 있으며, 그것들 중 몇몇은 도 13b에서 볼 수 있다. 이것들은 압축기(1360), 팽창기(1310), 및 제어기(1370)를 포함한다. 연료 및 공기가 연료 탱크들(1382) 및 공기 탱크들(1381) 각각을 통하여 연소기(도 13b에서 보이지 않는)로 제공된다. 다른 구현예들에서, 다른 저장 체적들(1380)이 연료 및 공기를 수납하기 위하여 사용될 수 있다.

도 13c는, 단지 저장 체적들(1380), 예를 들면, 연료 및/또는 공기용 다중 적재 탱크들을 포함하는 컨테이너(1350)를 도시한다. 따라서, 엔진 시스템(1300)은 연료 및/또는 공기 저장에 한정된 컨테이너들, 엔진 시스템 구성요소들(예를 들면, 압축기들, 팽창기들 및/또는 연소기들)에 한정된 컨테이너들, 및/또는 엔진 시스템 구성요소들 및 저장 능력을 모두 구비한 컨테이너들을 포함할 수 있다.

도 13d는 위에서 설명된 종류의 하나 이상의 엔진 시스템들(1300)을 수납하는 다중 적재 컨테이너들(1350)을 구비한 철도 차량을 도시한다. 일 구현예에서, 철도 차량(1383)은 단순히 한 장소에서 다른 장소로 컨테이너들(1350)을 수송할 수 있다. 다른 구현예에서, 철도 차량들(1383)은 기관차 바로 뒤에 연결될 수 있으며, 종래 디젤 또는 디젤 전기 기관차 엔진들에 의하여 제공되는 동력 대신에 또는 이외에, 기관차에 동력을 제공할 수 있다.

도 14a-14c는 위에서 설명된 종류의 엔진 시스템들에 대한 예상되는 성능 파라미터들을 종래의 에너지 시스템들의 성능 파라미터들과 비교한 그래프들이다. 도 14a는 본 기술(선(1400)에 의해 표시된)의 구현예에 따라 구성된 시스템 및 다른 시스템들에 대한 에너지 저장량의 함수로서 전달된 에너지의 비용을 비교한다. 특히, 선(1400)은 용적형, 중간냉각된 압축기, 연소기, 압축기와 상이한 용적형 팽창기, 및 팽창기 배기로부터 압축기 유출로 열을 전달하도록 위치된 회수기를 구비한 엔진 시스템에 해당한다. 다른 시스템들은 배터리 시스템들, 특히, 황산나트륨 배터리(선(1401)에 의해 표시된), 리튬 이온 배터리(선(1402)에 의해 표시된), 및 유동(플로우) 배터리(선(1403)에 의해 표시된)을 포함한다. 이러한 도시들이 나타내듯이, 위에서 설명된 종류의 엔진 시스템들의 예상되는 성능 파라미터들은 현존하는 배터리 시스템들의 성능 파라미터들 보다 상당히 더 좋을 수 있다.

도 14b는 현재 개시된 엔진 시스템들의 예상되는 성능 파라미터들을 현존하는 비배터리 시스템들과 비교한다. 특히, 선(1400)은 다시 위에서 설명된 종류의 엔진 시스템에 대한 저장량의 함수로서 전달된 에너지의 예상되는 비용을, 유압 유체/공기 시스템(선(1411), 펌프된(예를 들면 재순환된), 수력 발전(선(1412)), 종래의 지질학적 압축 공기 에너지 저장(선(1413)), 공기 압축 및 팽창을 구비한, 그러나 연소는 없는 환형 용적형 기계(선(1414)), 및 냉매 기초, 폐루프 에너지 변환 시스템(선(1415))과 비교하여 나타낸다.

도 14c는 동력을 전기 동력 그리드로 공급하는 다른 기술들과 비교하여 본 기술에 대한 용량 인자(예를 들면, 년의 부분)의 함수로 에너지 비용을 도시하는 그래프이다. 다시 선(1400)은 본 기술에 따른 시스템들에 대한 투영된 성능을 도시하며, 선(1421)은 고체산화물 연료전지에 의해 제공되는 그리드 동력을 도시한다. 다른 도매 그리드 동력 공급자들은 가스터빈(선(1422)), 천연 가스 내연 발전기(선(1423)), 탈황 석탄 연소(선(1424)), 고급 터빈(선(1425)), 및 고급 병합 사이클 엔진(선(1426))을 포함한다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 압축기(단계간 냉각을 구비한), 연소기, 팽창기(예를 들면, 고온 가능 밸브들을 구비한), 및 열교환기를 포함하는 본 기술의 구현예들은 일관하게 현존하는 에너지 전달 시스템을 수행할 수 있다.

전술한 것으로부터, 본 기술의 구체적인 구현예들이 여기서 예시의 목적으로 설명되었지만, 다양한 변형들이 본 기술로부터 벗어나지 않으면서 제작될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 전술한 설명은 압축기들, 팽창기들, 연소기들 및 관련된 밸브 작동 및 다른 시스템들의 구체적인 구현예들을 식별했다. 다른 구현예들에서, 위에서 설명된 동일한 기능들을 일반적으로 수행하는 다른 장치들, 시스템들, 및/또는 서브시스템들은 개시된 시스템들 이외에 또는 대신에 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들이 팽창기로부터의 배기 에너지를 얻기 위한 회수기의 의미에서 위에서 설명되었다. 다른 구현예들에서는, 시스템은 다른 형식의 배기 에너지 회수 장치들을 포함할 수 있다. 시스템의 몇몇 구현예들은 연소 히터의 의미에서 설명되었다. 다른 구현예들에서는, 히터는 다른 적합한 구성을 구비할 수 있다.

전술한 시스템들의 구현예들은 임의의 다양한 적합한 더 큰 시스템들에 포함될 수 있다. 예를 들면, 전술한 시스템들은 수송 및/또는 고정 적용예들에 동력을 제공하도록 사용될 수 있다. 고정 적용예들에 사용되는 경우, 시스템들은 독립형 동력을 제공할 수 있거나, 또는 전기 그리드에, 예를 들면, 지역적, 국가적 또는 국제적 그리드에 연결될 수 있다.

특정한 구현예들의 의미에서 설명된 본 기술의 특정한 양태들은 다른 구현예들에서 결합되거나 제거될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 시스템들은 고온 밸브 없이 중간 냉각된 압축기를 포함할 수 있다. 다른 시스템들은 중간 냉각된 압축기 없이 고온 밸브를 포함할 수 있다. 전체 시스템들은 여기서 설명된 요소들의 임의의 적합한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 압축기는 왕복운동 장치를 포함할 수 있으며 팽창기는 회전 장치를 포함할 수 있거나, 그 반대도 될 수 있다. 저장 압축기가 장착되면, 저장 압축기는 회전 압축기일 수 있지만, 기본 압축기는 왕복운동 압축기이거나, 그 반대도 될 수 있다. 고온 회전 밸브 시스템은 팽창기에 사용될 수 있고, 포핏 밸브 시스템은 압축기에 사용될 수 있다. 몇몇 경우에는, 압축기 온도가 능동적으로 냉각되는 밸브의 사용을 정당화하기에 충분히 높을 수 있다. 그러한 구현예들에서, 압축기는 또한 임의의 전술한 고온 밸브 장치를 포함할 수 있다.

개시된 기술의 특정한 구현예들과 관련된 장점들이 그러한 구현예들의 의미에서 설명되었지만, 다른 구현예들은 또한 그러한 장점들을 나타낼 수 있으며, 모든 구현예들이 본 기술의 범주 내에 속하는 그러한 장점들을 반드시 나타낼 필요는 없다. 따라서, 본 개시 및 관련된 기술은 여기서 명백하게 설명되거나 도시되지 않은 다른 구현예들을 포함할 수 있다.

Claims

압축기 입구 및 압축기 출구를 구비하는 압축기;
상기 압축기 출구에 연결된 연소기 입구를 구비하며, 연소기 출구를 더 구비하는 연소기;
상기 연소기 출구에 연결된 팽창기 입구를 구비하며, 팽창기 출구 및 일 출력 장치를 더 구비하는 용적형 팽창기;
상기 연소기로부터 상기 팽창기로 통과하는 고온의 연소 생성물들의 유동을 조절하기 위한 상기 연소기와 상기 팽창기 간에 연결된 밸브; 및
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 에너지를 추출하기 위한 상기 팽창기 출구에 연결된 배기 에너지 회수 장치를 포함하는 엔진 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배기 에너지 회수 장치는 제1 유동통로 및 상기 제1 유동통로와 열 전달되는 제2 유동통로를 구비하는 열교환기를 포함하되, 상기 제1 유동통로는 상기 압축기와 상기 연소기 간에 연결되고, 상기 제2 유동통로는 상기 팽창기 출구에 연결되는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 밸브는 회전 밸브를 포함하는 시스템.
제3항에 있어서,
상기 회전 밸브는 환형 통로 주위로 반경방향 외측으로 위치된 벽을 구비하는 실린더를 포함하되, 상기 실린더는 상기 환형 통로와 대략 축방향으로 정렬된 축을 중심으로 회전 가능하고, 상기 벽은 상기 실린더가 제1 회전 위치에 있을 때 상기 팽창기 입구와 정렬되고 상기 실린더가 상기 제1 위치와 다른 제2 회전 위치에 있을 때 상기 팽창기 입구와 정렬되지 않는 포트를 구비하는 시스템.
제3항에 있어서,
상기 밸브는 능동적으로 냉각되는 회전 밸브를 포함하는 시스템.
제5항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 하나의 냉각 기체 통로를 포함하는 시스템.
제5항에 있어서,
상기 밸브는, 적어도 하나의 축방향으로 연장되는 제1 기체 통로, 및 상기 적어도 하나의 제1 기체 통로로부터 환형으로 내측으로 위치되며 상기 적어도 하나의 제1 기체 통로로 연결되는 적어도 하나의 축방향으로 연장되는 제2 기체 통로를 포함하며, 상기 제1 기체 통로는 냉각 기체의 유동을 수용하여 상기 냉각 기체를 제1 축방향 및 상기 제2 기체 통로로 안내하도록 위치되며, 상기 제2 기체 통로는 상기 제1 기체 통로로부터 상기 냉각 기체를 수용하여 상기 냉각 기체를 상기 제1 축방향에 반대되는 제2 축방향으로 안내하는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제2 기체 통로는 또한 상기 냉각 유동을 상기 환형 통로 안내하도록 위치되는 시스템.
제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 냉각 기체 통로는 상기 환형 유동 통로와 유체 연통하는 출구를 구비하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 밸브는 1400 K를 초과하는 지속된 온도들을 견디도록 평가된 물질들로부터 형성되는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연소기에 연결된 연료원을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압축기와 상기 연소기 간에 연결된 압축 공기 저장 체적을 더 포함하는 시스템.
제12항에 있어서,
상기 압축기, 상기 저장 체적 및 상기 연소기 간에 연결된 밸브를 더 포함하되, 상기 밸브는 공기를 상기 압축기로부터 상기 저장 체적으로 안내하기 위한 제1 위치를 구비하고, 상기 밸브는 공기를 상기 저장 체적으로부터 상기 연소기로 안내하기 위한 제2 위치를 구비하는 시스템.
제12항에 있어서,
상기 압축 공기 저장 체적은 휴대용 저장 탱크를 포함하는 시스템.
제14항에 있어서,
상기 저장 탱크, 상기 압축기, 상기 연소기, 상기 팽창기 및 상기 배기 에너지 회수 장치는 휴대용 저장 컨테이너에 수납되는 시스템.
제14항에 있어서,
상기 저장 탱크, 상기 압축기, 상기 연소기, 상기 팽창기 및 상기 배기 에너지 회수 장치는 철도 차량에 수납되는 시스템.
제12항에 있어서,
상기 저장 체적은 지하 체적을 포함하는 시스템.
제12항에 있어서,
상기 저장 체적은 수중 체적을 포함하는 시스템.
압축기 입구 및 압축기 출구를 구비하는 다중 단계 압축기;
상기 압축기의 단들 간에 유체 연통하게 연결된 인터쿨러;
상기 압축기 출구에 연결된 연소기 입구를 구비하며 연소기 출구를 더 구비하는 연소기;
상기 연소기 출구에 연결된 팽창기 입구를 구비하며 팽창기 출구 및 일 출력 장치를 더 구비하는 용적형 팽창기; 및
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 에너지를 추출하기 위한 상기 팽창기 출구에 연결된 배기 에너지 회수 장치를 포함하는 엔진 시스템.
제19항에 있어서,
상기 배기 에너지 회수 장치는 제1 유동통로 및 상기 제1 유동통로와 열 전달되는 제2 유동통로를 구비하는 열교환기를 포함하되, 상기 제1 유동통로는 상기 압축기와 상기 연소기 간에 연결되고, 상기 제2 유동통로는 상기 팽창기 출구에 연결되는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 연소기와 상기 팽창기 간에 밸브를 더 포함하되, 상기 밸브는 약 2400 K까지의 동작 범위를 구비하는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 팽창기는 회전 팽창기이며, 상기 시스템은 상기 팽창기 입구와 상기 연소기 출구 간에 유체 연통하게 연결된 밸브 없이 포트를 포함하는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 연소기 및 상기 팽창기 중 적어도 하나를 냉각시키기 위하여 상기 연소기 및 상기 팽창기 중 적어도 하나에 연결되고, 또한 재생 유체를 상기 연소기에 전달하기 위하여 상기 연소기에 연결된 재생 유체 시스템을 더 포함하는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 팽창기는 왕복운동 팽창기인 시스템.
제19항에 있어서,
상기 연소기에서 간헐 연소 공정을 제어하기 위하여 상기 연소기에 동작 가능하게 연결된 제어기를 더 포함하는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 제어기는 상기 연소기에서 상기 간헐 연소 공정을 제어하기 위한 명령들로 프로그램된 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 연소기는 미차단된 입구를 구비하며 다중 팽창기 사이클 동안 연소 생성물들의 연속적인 유동을 상기 팽창기에 제공하도록 위치되는 시스템.
압축기 입구; 압축기 출구; 제1 단 출구를 구비하는 제1 압축기 단; 상기 제1 압축기 단에 연결되고 제2 단 입구를 구비하는 제2 압축기 단; 및 상기 제1 단 출구와 상기 제2 단 입구 간에 유체 연통하게 연결된 인터쿨러를 포함하는 반등온 압축기;
상기 압축기 출구에 연결된 연소기 입구를 구비하며, 연소기 출구를 더 구비하는 연소기;
상기 연소기 출구에 연결된 팽창기 입구를 구비하며, 팽창기 출구 및 축 출력 장치를 더 구비하는 왕복운동 용적형 팽창기;
상기 연소기로부터 상기 팽창기로 통과하는 고온의 연소 생성물의 유동을 조절하기 위한 상기 연소기와 상기 팽창기 간에 연결된 밸브로서,
밸브 바디; 및
상기 밸브 바디에 회전 가능하게 수납된 실린더로서, 상기 실린더는 환형 통로 주위로 반경방향 외측으로 위치된 벽을 구비하고, 상기 실린더는 상기 환형 통로와 대략 축방향으로 정렬된 축을 중심으로 회전 가능하고, 상기 벽은 상기 실린더가 제1 회전 위치에 있을 때 상기 팽창기 입구와 정렬되고 상기 실린더가 상기 제1 위치와 다른 제2 회전 위치에 있을 때 상기 팽창기 입구와 정렬되지 않는 포트를 구비하되, 상기 실린더는 축방향으로 연장되는 제1 기체 통로 및 상기 제1 기체 통로로부터 환형으로 내측으로 위치되며 그리고 상기 제1 기체 통로로 연결되는 축방향으로 연장되는 제2 기체 통로를 포함하며, 상기 제1 기체 통로는 냉각 기체의 유동을 수용하여 상기 냉각 기체를 제1 축방향 및 상기 제2 기체 통로로 안내하도록 위치되며, 상기 제2 기체 통로는 상기 제1 기체 통로로부터 상기 냉각 기체를 수용하여 상기 냉각 기체를 상기 제1 축방향에 반대되는 제2 축방향으로 상기 환형 통로로 안내하는 것인 실린더를 포함하는 것인 밸브; 및
상기 저장 용기와 상기 연소기 간에 연결된 제1 유동통로 및 상기 제1 유동통로와 열 전달을 하며 상기 팽창기 출구에 연결되는 제2 유동통로를 구비하는 열교환기
를 포함하는 엔진 시스템.
제28항에 있어서,
상기 압축기는 제1 압축기를 포함하며, 상기 시스템은,
유체 저장 체적;
상기 유체 저장 체적과 상기 제1 압축기 간에 연결된 제2 압축기를 더 포함하되, 상기 제2 압축기는 압축기 및 팽창기로서 교대로 동작하도록 동적으로 가역인 시스템.
공기를 압축하는 단계;
연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 압축된 공기 및 연료를 연소기에서 연소하는 단계;
상기 연소기와 팽창기 간에 위치된 밸브를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동시키는 단계;
상기 밸브가 개방 위치에 있는 동안 상기 연소 생성물들을 상기 밸브를 통하여 상기 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계; 및
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 에너지를 회수하는 단계를 포함하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제30항에 있어서,
상기 공기는 제1 체적의 공기이며 상기 방법은 상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 회수된 상기 에너지를 제2 체적의 압축된 공기를 연소하기 전에 제2 체적의 압축된 공기에 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제30항에 있어서,
상기 밸브를 이동시키는 단계는 상기 밸브를 회전시키는 단계를 포함하는 방법.
제30항에 있어서,
상기 밸브를 이동시키는 단계는 상기 밸브를 왕복운동시키는 단계를 포함하는 방법.
제30항에 있어서,
상기 밸브를 냉각 유체의 유동으로 냉각하는 단계를 더 포함하는 방법.
제34항에 있어서,
상기 냉각 유체의 적어도 일부분은 물을 포함하는 방법.
제34항에 있어서,
상기 냉각 유체를 연소 생성물들과 결합하는 단계 및 상기 연소 생성물들 및 상기 냉각 유체 모두를 상기 밸브를 통하여 안내하는 단계를 더 포함하는 방법.
제30항에 있어서,
에너지를 회수하는 단계는 열을 상기 연소 생성물들로부터 상기 연소기로 들어가는 공기와 연료 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 포함하는 방법.
제30항에 있어서,
공기를 압축하는 단계는,
상기 공기를 제1 압력으로 압축하는 단계;
상기 공기를 압축하는 단계에 이어서, 상기 공기를 냉각하는 단계;
상기 공기를 냉각하는 단계에 이이서, 상기 공기를 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 추가 압축하는 단계를 포함하는 방법.
제30항에 있어서, 압축, 연소, 이동, 안내, 팽창 및 회수 공정들의 결합된 열역학적 효율은 40%를 초과하는 방법.
공기를 압축하는 단계;
상기 공기를 압축하는 단계에 이어서, 상기 공기를 냉각하는 단계;
상기 공기를 냉각하는 단계에 이어서, 상기 공기를 추가 압축하는 단계;
상기 공기를 추가 압축하는 단계에 이어서, 연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 공기 및 연료를 연소기에서 연소하는 단계;
상기 연소 생성물들을 용적형 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계; 및
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 에너지를 회수하는 단계를 포함하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제40항에 있어서,
공간 난방을 제공하기 위하여 상기 공기를 냉각하는 공정으로부터 얻어지는 열을 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제40항에 있어서,
공기를 압축하는 단계는 압축기의 제1 단에서 수행되며 상기 공기를 추가 압축하는 단계는 상기 압축기의 제2 단에서 수행되며, 상기 공기를 냉각하는 단계는 상기 공기를 압축한 후에 그리고 상기 공기를 추가 압축하기 전에 상기 공기를 인터쿨러로 안내하는 단계를 포함하는 방법.
제40항에 있어서,
압축, 냉각, 추가 압축, 연소, 안내, 팽창 및 회수 공정들의 결합된 열역학적 효율은 40%를 초과하는 방법.
제40항에 있어서,
상기 연소기와 상기 팽창기 간에 위치된 밸브를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동시키는 단계;
상기 밸브가 개방 위치에 있는 동안 상기 연소 생성물들을 상기 밸브를 통하여 상기 팽창기로 안내하는 단계를 더 포함하는 방법.
공기를 압축하는 단계;
상기 공기를 압축하는 단계에 이어서, 상기 공기를 냉각하는 단계;
상기 공기를 냉각하는 단계에 이어서, 상기 공기를 추가 압축하는 단계;
상기 공기를 추가 압축하는 단계에 이어서, 연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 공기 및 연료를 연소기에서 연소하는 단계;
밸브의 원통형 밸브 요소를 회전축을 중심으로 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 회전시키는 단계로, 이 때 상기 밸브는 상기 연소기 및 팽창기 간에 위치되는 것인 단계;
상기 추가 압축된 공기의 유동을 상기 회전축에 대략 평행한 축방향으로 상기 밸브 요소의 벽의 통로를 통하여, 상기 통로로부터 상기 밸브 요소의 환형 개구로 안내함으로써 상기 밸브를 냉각하는 단계;
상기 밸브가 개방 위치에 있는 동안 상기 연소 생성물들을 상기 밸브 환형 개구를 통해 상기 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계;
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 상기 연소기로 들어가는 추가적인 공기로 열을 전달하는 단계를 포함하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제45항에 있어서,
상기 연소 생성물들로부터 열을 전달하는 단계는 제1 양의 열을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 엔진 외부에 열을 제공하기 위하여 상기 공기를 냉각함으로써 얻어지는 열을 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제46항에 있어서,
열을 이용하는 단계는 빌딩을 난방하기 위하여 열을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
제1 체적으로 공기를 압축하는 단계;
연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 압축된 공기 및 연료를 연소기에서 연소하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고, 상기 제1 체적과 구별되는 상기 팽창기의 제2 체적에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계; 및
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 에너지를 회수하는 단계를 포함하는 공정을 통하여 에너지를 추출하는 단계를 포함하되,
상기 공정의 열역학적 효율은 40%를 초과하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제48항에 있어서,
상기 열역학적 효율은 50%를 초과하는 방법.
제48항에 있어서,
상기 열역학적 효율은 60%를 초과하는 방법.
제48항에 있어서,
압축하는 단계는 상기 공기를 단들에서 압축하는 단계 및 상기 공기를 단들 간에서 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
제48항에 있어서,
상기 연소 생성물들을 상기 팽창기로 안내하는 단계는 상기 연소 생성물들을 적어도 1400 K의 온도에서 밸브를 통하여 상기 팽창기로 안내하는 단계를 포함하는 방법.
공기를 압축하는 단계;
상기 공기를 압축하는 단계에 이어서, 냉각된 공기를 형성하기 위하여 상기 제1 압력에서 상기 공기를 냉각하는 단계;
상기 공기를 냉각하는 단계에 이어서, 상기 공기를 추가 압축하는 단계;
상기 공기를 추가 압축하는 단계에 이어서, 연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 공기 및 연료를 연소기에서 연소하는 단계;
밸브의 원통형 밸브 요소를 회전축을 중심으로 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 회전시키는 단계로, 이 때 상기 밸브는 상기 연소기 및 팽창기 간에 위치되는 것인 단계;
상기 추가 압축된 공기의 유동을 상기 회전축에 대략 평행한 축방향으로 상기 밸브 요소의 벽의 통로를 통하여, 상기 통로로부터 상기 밸브 요소의 환형 개구로 안내함으로써 상기 밸브를 냉각하는 단계;
상기 밸브가 개방 위치에 있는 동안 상기 연소 생성물들을 상기 밸브 환형 개구를 통해 상기 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계; 및
상기 팽창기에서 배출되는 상기 연소 생성물들로부터 상기 연소기로 들어가는 추가적인 공기로 열을 전달하는 단계를 포함하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제53항에 있어서,
상기 연소 생성물들로부터 열을 전달하는 단계는 제1 양의 열을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 엔진 외부에 열을 제공하기 위하여 상기 공기를 냉각함으로써 얻어지는 열을 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제54항에 있어서,
열을 이용하는 단계는 빌딩을 난방하기 위하여 열을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
제1 체적으로 공기를 압축하는 단계;
연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 압축된 공기 및 연료를 상기 제1 체적과 구별되는 제2 체적에서 연소하는 단계;
상기 연소 생성물들을 용적형 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계를 포함하는 공정을 통하여 에너지를 추출하는 단계를 포함하되,
상기 공정의 열역학적 효율은 40%를 초과하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제56항에 있어서,
상기 압축된 공기는 압축된 공기의 제1 부분이며, 상기 방법은 상기 팽창기에서 배출되는 연소 생성물들로부터 열을 회수하는 단계 및 압축된 공기의 제2 부분을 연소하기 전에 압축된 공기의 제2 부분에 상기 열을 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
공기의 제1 부분을 압축하는 단계;
연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 공기의 제1 부분 및 연료를 연소하는 단계;
상기 연소 생성물들을 용적형 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계;
상기 팽창기에서 배출되는 연소 생성물들로부터 열을 회수하고, 회수된 열을 압축된 공기의 제2 부분에 첨가하는 단계를 포함하는 공정을 통하여 에너지를 추출하는 단계를 포함하되,
상기 공정의 열역학적 효율은 40%를 초과하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
공기를 대기 압력으로부터 대기 압력 보다 높은 압력으로 용적형 팽창기의 적어도 두 개의 단계들에서 압축하는 단계;
상기 연소기의 제1 및 제2 단계 간에서 상기 공기를 냉각하는 단계;
연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 공기 및 연료를 연소하는 단계;
상기 연소 생성물들을 용적형 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계를 포함하는 공정을 통하여 에너지를 추출하는 단계를 포함하되,
상기 공정의 열역학적 효율은 40%를 초과하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제59항에 있어서,
상기 공기는 공기의 제1 부분이며, 상기 방법은 상기 팽창기에서 배출되는 연소 생성물들로부터 열을 회수하는 단계 및 공기의 제2 부분을 연소하기 전에 공기의 제2 부분에 상기 열을 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
터보차저의 이용없이 공기의 제1 부분을 압축하는 단계;
연소 생성물들을 형성하기 위하여 상기 압축된 공기의 제1 부분 및 연료를 연소하는 단계;
상기 연소 생성물들을 용적형 팽창기로 안내하는 단계;
상기 연소 생성물들을 팽창시키고 상기 팽창기에서 상기 연소 생성물들로부터 일을 추출하는 단계;
상기 팽창기에서 배출되는 연소 생성물들로부터 열을 회수하고, 상기 열을 압축된 공기의 제2 부분에 첨가하는 단계를 포함하는 공정을 통하여 에너지를 추출하는 단계를 포함하되,
상기 공정의 열역학적 효율은 40%를 초과하는 엔진 시스템을 동작하기 위한 방법.
제61항에 있어서,
상기 열을 첨가하는 단계는 상기 공기의 제2 부분을 연소하기 전에 상기 공기의 제2 부분을 압축한 후에 상기 열을 첨가하는 단계를 포함하는 방법.