JP2015500411A - 圧縮気体エネルギー貯蔵システム - Google Patents

Abstract

実施形態は、広義には、エネルギー貯蔵システムに関しており、具体的には、エネルギー貯蔵媒体として圧縮気体を用いるエネルギー貯蔵システムに関する。様々な実施形態において、圧縮気体貯蔵システムは、エネルギーを圧縮気体に変換して貯蔵し、その後、その貯蔵エネルギーを気体膨張によって復元するために複数のステージを有していてもよい。特定の実施形態において、１つのステージは、往復ピストンを有する可逆圧縮機／膨張機を備えていてもよい。気体と熱交換するために液体を導入するためのポンプ設計を記載する。シュラウドおよび／またはカーテン部を特徴部として有する気体流バルブも記載する。

Description

関連出願の相互参照
この特許本出願は、２０１１年１０月１８日に出願され、全ての目的においてその全体が本明細書に援用される米国特許仮出願第６１／５４８，６１１号に基づく優先権を主張する。また、この特許本出願は、２０１２年５月１０日に出願され、全ての目的においてその全体が本明細書に援用される米国特許仮出願第６１／６４５，１５１号に基づく優先権を主張する。

背景
米国特許公開公報第２０１１／０１１５２２３号は、その全体が本明細書に援用される。

要旨
実施形態は、広義には、エネルギー貯蔵システムに関し、より具体的には、エネルギー貯蔵媒体として圧縮気体を用いるエネルギー貯蔵システムに関する。様々な実施形態において、圧縮気体貯蔵システムは、エネルギーを圧縮気体に変換して貯蔵し、その後、その貯蔵エネルギーを気体膨張によって復元するために複数のステージを有していてもよい。特定の実施形態において、１つのステージは、往復ピストンを有する可逆圧縮機／膨張機を備えていてもよい。気体と熱交換するために液体を導入するためのポンプ設計を記載する。シュラウドおよび／またはカーテン部を特徴部として有する気体流バルブも記載する。

図１Ａは、チャンバーの上にある気体流バルブの簡略図を示している。

図１ＡＡは、シリンダー容積対死容積をグラフにしたものである。

図１Ｂは、エネルギー貯蔵復元システムの実施形態の簡略斜視図である。

図１ＢＡは、図１Ｂの実施形態の別の簡略斜視図である。

図１ＢＢは、図１Ｂの実施形態の別の簡略図である。

図２は、実施形態による２つの可逆圧縮／膨張ステージの簡略斜視図である。

図２Ａは、図２の２つの可逆圧縮／膨張ステージの簡略断面図である。

図２Ｂは、図２の２つの可逆圧縮／膨張ステージの簡略上面図である。

図２Ｃ１は、実施形態の高圧および低圧ステージを示す簡略模式図である。

図２Ｃ２ａ１〜４は、様々な実施形態について、シリンダーの力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図２Ｃ２ｂ１〜４は、様々なシステム実施形態について、水平方向の力に対して垂直方向の力をグラフにしたものである。

図２Ｃ３ａ〜ｄは、２つの異なる実施形態について、異なるシリンダー特性をクランク角度に対してグラフにしたものである。 図２Ｃ４ａ〜ｄは、２つの異なる実施形態について、異なるシリンダー特性をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図２Ｃ５は、種々の装置実施形態をモジュラーマシンとして示している。

図２Ｃ６は、クロスヘッドベアリングの幾何学形状の一実施形態を示している。

図２Ｃ７ａ〜ｃは、ピストンロッドおよびクロスヘッドベアリングの幾何学形状の一実施形態を示している。

図２Ｃ８ａ〜ｃは、ピストンシール原理を図示した図を示している。

図２Ｃ９ａは、３ステージおよび２ステージ実施形態の特性を表形式で示している。

図２Ｃ９ｂは、他の３ステージ実施形態の特性を表形式で示している。

図２Ｄ１は、可逆圧縮／膨張ステージのシリンダーの実施形態を示す簡略断面図である。

図２Ｄ２は、図２Ｄ１のステージの噴霧リングの一部を示している。

図２Ｄ３は、可逆圧縮／膨張ステージの実施形態の別の簡略断面図である。

図２Ｄ４は、テストセルの簡略模式図である。

図３Ａは、閉位置にある気体流バルブの一実施形態の簡略断面図を示している。

図３Ｂは、図３Ａのバルブを通る流量をリフト位置に対してグラフにしたものである。

図３Ｃ１は、バルブ駆動機構の実施形態を示している。

図３Ｃ２ａは、実施形態による１つのステージの簡略図である。

図３Ｃ２ｂは、高圧側および低圧側に往来する流れを管理する専用バルブを示す拡大図である。

図３Ｃ３ａは、実施形態による低圧側バルブおよび高圧バルブのアクチュエーター機構を示している。

図３Ｃ３ｂは、シリンダーヘッドギアボックスの実施形態の斜視図を示している。

図３Ｃ３ｃは、高圧側バルブのカバーを外した状態における図３Ｃ３ｂの実施形態のギアボックスの斜視図を示している。

図３Ｃ３ｄは、駆動カムアセンブリとの高圧バルブタイミング機構の相互作用を示した分解図を示している。

図３Ｃ３ｅは、高圧バルブのねじり剛性の高い枢動カムフォロワに対して相互作用する駆動カムアセンブリの簡略側面図を示している。

図３Ｃ３ｆは、様々な動作構成について、高圧バルブを通る流量をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図３Ｃ４ａは、高圧側バルブのカム機構の実施形態の斜視図を示している。

図３Ｃ４ｂは、ねじり剛性の高い枢動カムフォロワの斜視図を示している。

図３Ｃ４ｃは、枢動カムフォロワの拡大図を示している。

図３Ｃ４ｄは、高圧側バルブの上側カムアセンブリの実施形態の断面図を示している。

図３Ｃ４ｅは、図３Ｃ４ｄの上側カムアセンブリの断面図を示している。

図３Ｃ４ｆは、図３Ｃ４ｄのカム機構の分解図を示している。

図３Ｃ４ｇは、高圧側バルブのカムタイミング機構の実施形態の分解図を示している。

図３Ｃ４ｈは、図３Ｃ４ｇのカムタイミング機構の実施形態の断面図を示している。

図３Ｃ４ｉは、湾曲部を含むカムフォロワに対するリンク装置の実施形態を示している。

図３Ｃ４ｊは、図３Ｃ４ｉのコレットの実施形態の拡大図を示している。

図３Ｃ５ａは、低圧側バルブの実施形態の斜視図を示している。

図３Ｃ５ｂは、図３Ｃ５ａの低圧側バルブの断面図である。

図３Ｃ５ｃは、低圧側バルブのタイミング機構の実施形態の端面図を示している。

図３Ｃ５ｄは、図３Ｃ５ｃのタイミング機構の斜視図を示している。

図３Ｃ５ｅは、バルブタイミング機構の断面図を示している。

図３ＤＡ〜ＤＢは、それぞれ、圧縮および膨張の場合における、高圧および低圧バルブを備えたチャンバーの様々な性能特性をグラフにしたものである。

図４Ａ１ａは、閉位置にあるＨＰ気体流バルブの一実施形態の簡略断面図を示している。

図４Ａ１ｂは、開位置にある４Ａ１ａの気体流バルブ実施形態を示している。

図４Ａ１ｃは、圧縮中のシリンダー圧をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｄは、圧縮中のバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｅは、圧縮中バルブを閉じておくために必要な力を示している。

図４Ａ１ｆは、膨張時に閉じたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｇは、圧縮時に開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｈは、膨張時に開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｉは、線接触時において開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｊは、面接触時において開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ２ａは、閉位置にあるＨＰ気体流バルブの別の実施形態の簡略断面図を示している。

図４Ａ２ｂは、開位置にある図４Ａ２ａの気体流バルブ実施形態の簡略断面図を示している。

図４Ａ３ａは、閉位置にあるＨＰ気体流バルブのさらに別の実施形態の簡略断面図を示している。

図４Ａ３ｂは、開位置にある図４Ａ３ａの気体流バルブ実施形態の簡略断面図を示している。

図４ＢＡ〜ＢＢは、噴霧ノズルを設けたバルブ実施形態の図を示している。

図４ＣＡ〜ＣＢは、種々のポート高を有するバルブを通る流量を示している。

図４ＣＣは、種々の実施形態における流量をポートの高さに対してグラフにしたものである。

図４ＤＡ〜ＤＣは、種々のバルブボディを有するバルブを通る流量を示している。

図４ＤＤは、種々の実施形態について、バルブボディに対する流量をグラフにしたものである。

図４ＥＡ〜ＥＤは、バルブ実施形態を用いた様々なチャンバー特性をグラフにしたものである。

図４ＦＡ〜ＦＤは、バルブ実施形態を用いた様々なチャンバー特性をグラフにしたものである。

図５Ａは、一実施形態による圧縮の場合のＰＶ曲線である。

図５Ｂは、図５ＡのＰＶ曲線の一部を拡大したものである。

図５Ｃは、一実施形態による膨張の場合のＰＶ曲線である。

図５Ｄは、一実施形態によるシリンダーヘッドの低圧（ＬＰ）バルブならびに能動および受動高圧（ＨＰ）バルブの図を示している。

図５ＤＡは、あるタイプのＨＰバルブの膨張時のＰＶ曲線である。

図５ＤＢは、別のタイプのＨＰバルブの膨張時のＰＶ曲線である。

図６Ａは、一実施形態におけるシリンダー圧およびポンプ圧をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図６Ｂは、別の実施形態におけるシリンダー圧およびポンプ圧をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図６Ｃは、剥き出しのノズルリング数に対する噴霧角度を示している。

図６Ｄは、ノズルリング毎の噴霧角度を示す棒グラフである。

図７Ａは、一実施形態による液体流システムを示す簡略図である。

図７Ｂは、別の実施形態による液体流システムを示す簡略図である。

図８Ａは、高圧水ポンプコンセプトの一実施形態の断面図である。

図８Ｂは、ＨＰピストンアセンブリに対する水ポンプサイズを示す拡大図である。

図８Ｃは、均衡化プランジャー水ポンプ構成の簡略断面図である。

図８ＤＡは、一実施形態による吸入ポンプバルブの簡略断面図を示している。

図８ＤＢは、一実施形態による排出ポンプバルブの簡略断面図を示している。

図８Ｅは、保持部の詳細の拡大図を示している。

図９は、液体ポンプの一実施形態の簡略斜視図である。

図９Ａは、液体ポンプの一実施形態の半体の簡略断面図である。

図９Ｂは、液体ポンプ実施形態によるカム位置に対するリフトをグラフにしたものである。

図９Ｃは、逆止バルブの計算流体力学（ＣＦＤ）モデルの断面図を示している。

図９Ｄは、流速グラフを示している。

図９Ｅは、流路を示す流速グラフである。

図９Ｆは、圧力降下のグラフを示している。

図９Ｇは、４プランジャー水ポンプの一実施形態の斜視図を示している。

図９Ｈは、液体ポンプ実施形態の断面図を示している。

図９Ｉは、図９Ｈの液体ポンプ実施形態を拡大したものを示している。

図９Ｊは、図９Ｈ〜Ｉの実施形態のプランジャーおよびカムフォロワの簡略斜視図を示している。

図９Ｋは、図９Ｈ〜Ｉの実施形態のカムを含む図を示している。

図１０Ａ〜Ｃは、シャトルバルブ付き水ポンプコンセプトの図を示している。

図１１Ａ〜Ｊは、クランクケース設計の様々な図を示している。

図１２Ａ〜Ｃは、ガジオンアセンブリピン装置の様々な図を示している。

図１３は、エネルギー貯蔵システムの一実施形態の簡略図を示している。

図１４Ａ〜Ｉは、様々な能動的バルブ駆動スキームを示している。

図１４ＪＡ〜Ｅは、バルブおよびシリンダー構成の動作を示す簡略模式図である。

図１４ＫＡ〜ＫＣは、圧縮機として動作しているステージの図を示している。

図１５は、バルブ実施形態を制御する際に使用するのに適したコンピュータシステムの簡略図を示している。

図１５Ａは、図１５のコンピュータシステムにおける基本サブシステムを例示したものである。

図１６は、能動的バルブ制御の制御ループの簡略図を示している。

図１６Ａは、実施形態による様々な要素の動作を制御するコントローラに対する入力および出力を示すブロック図である。

図１６Ｂは、実施形態による圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムによって行われ得る平準化機能の簡略図を示している。

図１６Ｃは、パワーを時間に対してグラフにしたものであり、再生可能エネルギー源から長期発電資産へとグリッド容量を切り替える例を示している。

図１６ＣＡは、パワー供給ネットワークを用いてエネルギーシステムの動作を統合制御するように構成されたプロセッサを含むシステムの簡略模式図である。

図１６Ｄは、一実施形態によるエネルギー貯蔵システムのエネルギー出力およびベースライン複合サイクルタービン装置のエネルギー出力の経時変化をグラフにしたものである。

図１７Ａは、代替エネルギー貯蔵システム実施形態の簡略図を示している。

図１７ＢＡは、図１７Ａのシステムの様々な基本的動作モードを示している。

図１７ＢＢ〜ＢＧは、図１７Ａのシステムの様々な動作モードにおける気体流流路の簡略図を示している。

詳細な説明
圧縮空気は、鉛蓄電池に匹敵する密度でエネルギーを貯蔵することができる。しかし、圧縮気体では、限られた寿命、材料可用性または環境適合性などの電池に関連付けられる問題が生じない。

圧縮気体エネルギー貯蔵システムは、気体を圧縮してエネルギーを貯蔵し、気体をより低い圧力に戻すことによってエネルギーを復元する機能を果たす。このようなシステムのサイズ、複雑度およびコストを低減するために、このプロセスの圧縮および膨張フェーズの両方に対して同じ機器を用いることが望ましいかもしれない。そのようなシステムの例は、その全体が本明細書に援用される米国特許公開公報第２０１１／０１１５２２３号（以下「上記公開公報」）に見ることができる。後述する設計が、上記公開公報に記載されている１つ以上の概念を含んでいるかもしれないことが理解されるであろう。

圧縮気体エネルギー貯蔵システムの他の例が、全ての目的においてその全体が本明細書に援用される米国特許仮出願第６１／５４８，６１１号に記載されている。広義には、この仮出願は、マニホールドと流体連通している穴を有する複数の液体噴霧リング内に規定されたチャンバー内を往復するピストンを採用したシステムを記載している。

図１Ａは、その中で気体が膨張または圧縮し得るチャンバー３上に配置された可動部材を含む気体流バルブ１を備えた装置の一実施形態の死容積を示したごく簡略化した図を示している。図１Ａにおいて、参照符号２は、ヘッドにおけるバルブ凹部のための余裕空間を示している。バルブが通る余裕空間を与えるために、ピストン内により小さな凹部が２つある。参照符号３は、プランジャ／ピストンと壁との間、および、プランジャ／ピストンクラウンとＴＤＣにおけるヘッドとの間の円柱シート容積を示している。

気体流バルブは、チャネル５を介して圧縮／膨張チャンバーと流体連通している上部チャンバー４を含む。これらのチャネルは、駆動時に可動部材全体にわたって圧力均衡を保ち、これにより、バルブ駆動時に消費されるエネルギーを低減する。この力均衡特性を発揮するバルブ実施形態の詳細は、少なくとも図３Ａ、図４Ａ１ａ〜ｂおよび図４Ａ２ａ〜４Ａ３ｂを参照して、後に詳述する。

この図１Ａに示す設計による実施形態は、シリンダー壁に放射状に配置されたバルブを有する従来の気体圧縮機よりも、死容積に関してより効率的である。

図１ＡＡは、シリンダー容積対死容積をグラフにしたものである。このグラフは、所与のパワー要件におけるシリンダーサイズに対する死容積の影響を示している。小さい死容積を有することの価値と、死容積およびシリンダーサイズ間の非線形の関係とを示している。具体的には、この曲線の形状から、死容積を増加させることは大きな影響をもたらし得る。

最終ステージシリンダーサイズは、複数の要因の影響を受け得る。要求されるノズル数（≒１２０＠３：１ＭＦ）に適合し且つ合理的なパワー密度を与える合理的なシリンダーサイズを得るために、死容積を大きくしてもよい。

特定の実施形態において、バルブ面積に対応するように孔を大きくしてもよい。クランクまたはカムギアに対する負荷を低減するために口径を小さくしてもよい。液滴の移動に関して、容積内への距離を最小限にするために孔を小さくしてもよい。

ストロークが増大するにつれて平均ピストン速度をモニタリングしてもよい。バルク水が死容積を小さくしてパワーを増大する場合に、死容積は調節可能であってもよいが、そうでなくてもよい。

様々な実施形態のパッケージングおよび機械的複雑度を以下に関連して図示および記載する。

図１Ｂは、エネルギー貯蔵復元システムの一実施形態の簡略斜視図である。図２〜２Ｃ１に示すように、このシステムは、クランクによって共通シャフトに接続される高圧圧縮／膨張ステージおよび低圧圧縮／膨張ステージを備えている。

図１Ｂはまた、モータ／発電機からエネルギーを送るまたは受け取るように共通シャフトに連通したモータ／発電機を示している。圧縮／膨張ステージおよびモータ／発電機の間においてシャフト上にフライホイールがある。このフライホイールは、動作中にモータが受けるトルクを均等にする機能を果たす。

図１ＢＡ〜ＢＢは、図１Ｂの実施形態の他の簡略図を示している。これらの図において、各ステージおよび複数の水ポンプの間の機械的連通状態を提供するギアの筐体は、便宜上、省略している。これは、メインシャフトが、マシンのいずれかの側においてバルブカムドライブと、また、液体ポンプと連通させる一連のギアを示している。

図１ＢＡ〜ＢＢはギアを使用した駆動を示しているが、これは必ずしも必須ではない。他の実施形態では、ベルト、シャフトおよび／またはリンクロッドなどの要素を備えた別の駆動方法を採用することも可能である。

回転−往復機構

クランクまたはカムを用いて、回転運動と往復運動の間の変換を行ってもよい。１２５ｋＷを得るための最小圧力は５４バールであり、第１ステージにおいては３．８４バールである。ピストン質量は最大２５ｋｇであり得る。従って、カム機構が機能し得る。

膨張中クランクが反対に動く場合、圧縮時間を増やすために、ピンをオフセットすることが考えられ得る。

図２Ａ〜２Ｃ１は、水平方向に対向したクランク構成の図を示している。水平方向に対向した実施形態を「単一シリンダー」実施形態との対比で考えると、単一シリンダーの手法では、より大きなバランスシャフト複雑度およびより大きな回転カウンターウェイト質量が必要となり得る。

図２〜２Ｂの特定の実施形態は、対向シリンダーが同じ容積を持つ場合を示している。これにより、要求される限られた貯蔵量を用いて、膨張および圧縮を同時にテストすることが可能になる。図２Ｃ１の特定の実施形態は、対向シリンダーが異なる容積を持つ場合を示している。一実施形態によれば、システムは、２つの異なるサイズのシリンダーを用いた２ステージを備えていてもよい。あるシステム実施形態は、４つのシリンダーを用いた３ステージであってもよい。

クランクの考察を図２Ｃ２ａ〜２Ｃ４ｄにまとめる。具体的には、図２Ｃ２ａ１〜４は、様々なシリンダー力を水平および垂直に分解したものをクランク角度に対してグラフにしたものである。図２Ｃ２ｂ１〜４は、以下にまとめた特性を持つシステムについて、メイン１垂直力およびメイン２垂直力を水平力に対してグラフにしたものである。
ここで、Ｖｅｅ角度とは、ピストン間の角度を指す。クランクピン位相とは、クランクピンの中央偏心部の楕円長軸の角度を指す。この偏心部は、以下の図２Ｃ７ｃと関連して図示および記載する。

図２Ｃ３ａ〜ｄおよび２Ｃ４ａ〜ｄは、以下の表にまとめた特性を持つシステムについて、様々な特性をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図２Ｃ５は、装置がモジュラーマシンを備えていてもよいことを示している。最終レイアウトは、ベアリング負荷および空間の考察によって決まるであろう。

モジュラーユニットは、完全な２または３ステージマシンアセンブリ、または、単なるシリンダーアセンブリである。その場合、４種類のクランクケースおよびクランクシャフトパーツ数を用いれば、２５０ｋＷ刻みで１ＭＷのパワー範囲がカバーされるであろう。図２Ｃ５の特定の実施形態は、低圧ステージのシリンダーよりも小さい容積を持つ高圧ステージのシリンダーを示している。

図２Ｃ５における左手側の装置および右手側の装置は、若干異なる構成を示している。具体的には、左手側の装置では、クランクシャフト上において、高圧ピストンおよび低圧ピストンが交互に配置される。この場合、同じ側において、高圧および低圧シリンダー間の間隙が比較的狭くなり得る。

対照的に、図２Ｃ５の右手側の装置では、クランクシャフト上において、高圧ピストンおよび低圧ピストンがグループ分けされている。この場合、同じ側において、高圧および低圧シリンダー間の間隙が比較的広くなり得る。

特定の状況下において、負荷反転しないことによってクロスヘッド枢動が機能しないすることがあり得る。具体的には、往復動圧縮機において、ストロークの度にＴＤＣにおいて高圧が生じる。対照的に、エンジンにおいて、これは２ストローク毎にしか起こらない。

これは、ピンに常に一方向に負荷がかかることを意味し得る。ピンを潤滑するオイルが押し出されて、最終的に機能停止に至るかもしれない。いくつかの実施形態は、このピン反転問題に対処し得る。

図２Ｃ６は、接続ロッドの端部とクロスヘッドの下側フェースとの間の転がり接触を特徴として有する一実施形態を示している。各転がり要素を互いに対して位置決めするためのインボリュート形状を有する位置決め部材も組み込まれている。クロスヘッドおよび接続ロッドの間に時々生じる引張荷重を与えるために、リンク部材には、曲げられた転がり接触面の中央に枢動ピンが設けられている。

実施形態は、表面分離が生じてオイルが接触領域に進入しなくても、潤滑の機会を高めるように、クロスヘッド枢動ピン孔の幾何学形状を改変したクロスヘッド枢動ピンを利用してもよい。

向上したオイル付与、向上した孔の幾何学形状、および／または、ＢＤＣアンロード機構と共にピン継ぎ手を用いてもよい。図２Ｃ７ａ〜ｃは、実施形態におけるそのような構成の簡略図を示している。具体的には、この実施形態の３ロッドアセンブリは、中央またはリフティングロッドを用いてピストンアセンブリをＢＤＣにおいて持ち上げて、それにより、オイルがピン継ぎ手に再進入して次の負荷に備えることによって、ピン反転問題に対処する。

具体的には、図２Ｃ７ａは、中央要素Ｃおよび端要素Ｅを備えた、組み立てられた接続ロッドを示している。図２Ｃ７ｂは、潤滑剤を受けるように構成されたチャネルを含む中央要素Ｃのみを示している。要素Ｃは、単一のパーツまたは複数のパーツを備えていてもよい。

図２Ｃ７ｃは、接続ロッドジャーナルＪの拡大図を示している。このロッドジャーナルの中間部分は、端部からオフセットされた偏心器を規定する。この偏心器は、ピストンが最下点を通過する際に、Ｃが要素Ｅに対してクロスヘッド枢動ピンを持ち上げるように、要素Ｃに接触している。これにより、クロスヘッド枢動ピンおよび部材Ｅ間において接触面にオイルが進入する。要素Ｃおよび／またはＥは、オイルを枢動ピンインターフェースに運ぶチャネルを有していてもよい。

特定の実施形態は、ＢＤＣアンロード機構を採用してもよい。

図２Ｃ８ａは、ピストンシール原理を図示する断面図を示している。図２Ｃ８ｂは、密閉されたピストンを示している。図２Ｃ８ｃは、シールパックの１つの可能な実施形態の拡大図を示している。

プランジャーに加えてクロスヘッド設計を用いることによって、サイドスラスト負荷がシール要素（プランジャー）から分離し、これにより、シール寿命が延びる。図示したようにシールを配置することによって、シールがピストンの上部縁部上に配置された場合のように連続している必要がないので、壁領域を噴霧ノズルのために使用できる。

以下の表にシール特性を示す。

図２Ｃ９ａは、下記の各ステージ条件下における、３ステージおよび２ステージの実施形態の特性を表形式で示す。
ＲＰＭ＝１２００、大気密度＝１.１５（ｋｇ／ｍ^３）、
バルブ圧力降下（比率）＝０．０２、合計片道効率＝０．８、
ポリトロープ指数＝１．０５、圧縮容積／ステージ＝１。

図２Ｃ９ｂは、別の３ステージ実施形態の特性を表形式で示す。この実施形態の特徴は、可変タンク圧力、および６時間の膨張時間である。

冷却チャージまたはエアロゾル作成

図２Ｄ１は、噴霧穴を有する複数の噴霧リング（右手側）内に規定されたシリンダー内を往復するピストンを備えた圧縮／膨張ステージを示している。これらの噴霧穴は、各液体ポンプと連通している水通路と流体連通している。

プランジャーピストンおよび図２Ｄ１の固定シールを使用することにより、噴霧リング内のノズル数に対して十分な表面積を許容する幾何学形状が提供され、これにより、要求される水量が正しく加えられる。クロスヘッド設計付きのプランジャーを用いることにより、サイドスラスト負荷がシール要素（プランジャー）から分離する。

図２Ｄ２は、一実施形態によるシリンダー内のいくつかの噴霧リングの断面図を示している。マサチューセッツ州グリーンフィールドのＢＥＴＥから入手可能なＵｌｔｉｍｉｓｔ^ＴＭ、またはこれと同様のノズルは、流量が大きく潜在的に良い液滴サイズ＜６０ｕｍの小さなパッケージを提供し得る。

噴霧リングにより、噴霧の幾何学形状の変化が容易になり、パーツが強化され、同期噴霧を実現させ、複数の噴霧を同一平面にすることができる。モジュラー噴霧リング幾何学形状を用いることによって、種々の噴霧幾何学形状をシリンダーの種々の部分に用いることが可能になり、簡単に死容積を変更することが可能になる。各リングは可変厚、例えば、≒２００ｍｍ以下であってもよい。特定の実施形態において、外側水マニホールドに囲まれ得る噴霧ノズルを開口した１つの連続した円柱パーツとして、単一噴霧リングを組み込んでもよい。

最初に、チャージは、誘導および圧縮時に液滴を用いてシーディングされるが、損失を低減する同期噴霧は進歩的アップグレードの一部であり得る。複数のシリンダーヘッド搭載噴霧と同様に、上流シーディングを用いることも可能である。Ｕｌｔｉｍｉｓｔ^ＴＭおよび３：１を用いた概算では１２０ノズルが必要である。

図２Ｄ１に示すような高圧ステージの特定の一実施形態は、オイル不要の幾何学形状を可能にする。この実施形態は図示した状態で長さが１ｍであり、この時オイル不要である。

より大きなクロスヘッド口径にすれば、よりクランク近傍においてより良いクロスヘッドサポートを可能にする。ヘッドボルトはクロスヘッド孔ボスにねじ込まれる。この時、ロッド−ピストン接続は、ピストン内のより深い部分にあり、マシン全体の寸法は同じままでより長いロッドを使うことが可能になる。

図２Ｄ３は、高圧ステージの実施形態の異なる図を示している。

図２Ｄ４は、テストセルのシステムレベルダイアグラムの全体図を示している。

バルブ駆動

気体は、高圧気体流バルブを介して、チャンバーに出入りして圧縮または膨張し得る。図３Ａは、閉位置にあるそのような気体流バルブの実施形態の簡略図を示している。この特定のバルブ実施形態は、以下により詳細に説明するように、シュラウディング、圧力均衡、４つのカム、およびバルブ力を採用する。

具体的には、図３Ａのバルブの構造および動作の詳細を以下図４Ａ１ａ〜ｂに示す。簡単に言えば、図３Ａのバルブ実施形態は、チャネル（図３Ａには図示しないが、図４Ａ１ａ〜ｂに図示）を介して気体圧縮／膨張チャンバーに連通している上部チャンバーを特徴部として有する。上部チャンバーおよび接続チャネルによってもたらされる圧縮／膨張チャンバーとの圧力平衡は、バルブ駆動時に消費されるエネルギーを低減する圧力均衡特性を与える。この手法は、低減された駆動力およびシート接触応力も提供する。

図３Ｂは、図３Ａのバルブを通る流量をリフト位置（例えば、シートからのバルブの高さ）に対してグラフにしたものである。バルブ開状態および閉状態の間の点Ｐにおける曲線の望ましい急峻な変化は、図４Ａ１ａ以降でも詳述するシュラウディング特性の影響を反映している。

この特定のバルブ実施形態において、Ｆｐｍａｘ＝６０ｋＮ不均衡、Ｆｏｐｅｎ＝２．２ｋＮ、およびＦｃｌｏｓｅｄ＝２．２ｋＮである。Ｆｐｍａｘは、バルブステム上に作用する力であり、バランスピストンによって部分的に均衡を保っている。Ｆｐｍａｘは、バランスピストン圧力とバルブヘッド上に作用する圧力との差である。この力が閉位置においてバルブをシートに押さえ付ける。Ｆｏｐｅｎは、バルブステム領域上に作用し、開位置においてバルブを押さえている圧力である。

図３Ｃ１は、１つの可能な実施形態による、図３Ａの高圧バルブを駆動する機構を示す斜視図である。このバルブ駆動機構は、４つのカムとロッカーアーム機構を含み、これは後述する。別の可能な実施形態は、ロッカーフォロワの代わりに枢動フォロワを有する。

図３Ｃ１は、低圧バルブの駆動機構も示している。この低圧バルブ駆動機構は、図３Ｃ５ａ以降で詳述する。

高圧側および低圧側の気体流バルブの様々な実施形態の機能および構造を以下述べる。図３Ｃ２ａは、シリンダー３０２内で可動となるように構成されたピストン３０１を備えた１つのステージ３００の実施形態の断面図である。この図において、シリンダー３００は垂直方向に向いており、シリンダーヘッドギア装置３０４がその上部に配置されている。シリンダーヘッドギア装置は、専用低圧側バルブ３０６および専用高圧側バルブ３０８の両方を駆動するためのギアを含んでいる。

図３Ｃ２ｂは、図３Ａの実施形態の高圧側および低圧側に往来する流れを管理する専用バルブを示した拡大図である。この特定の実施形態において、低圧（ＬＰ）側バルブ３０６は、回転カム３２２によって駆動されるポペット３０７を備えている。高圧（ＨＰ）側バルブ３０８は、一対の回転カム３１７および３１８の間で駆動されるポペット３０９を備えている。

チャンバー内で往復するピストンのクランクに対するこれらのカムの動作は、物理的接続によって統合制御されてもよい。そのような物理的接続の例は、回転シャフト、ギア（マルチノードギアを含む）、ベルト、チェイン、ロッド、等を含むが、これらに限定はされない。

図３Ｃ３ａは、専用低圧側バルブおよび専用高圧側バルブの実施形態のためのアクチュエーター機構の斜視図を示している。低圧側バルブは、バネ３１３によってアーム（フォロワ）３１２に対して駆動されるバルブステム３１１を有するポペットを備えている。このアームは、ここには図示しない回転カムによって駆動されてもよいが、図３Ｃ５ａ〜ｅに関連して以下に図示および詳述する。

再び、低圧側バルブの動作は、１つ以上の物理的接続を介して、チャンバー内を往復するピストンのクランクに対して統合制御してもよい。このような物理的接続の例は、回転シャフト、ギア（マルチノードギアを含む）、ベルト、チェイン、ロッド、等を含むが、これらに限定はされない。

高圧側バルブ３０８は、ローラーを備えたねじり剛性の高い枢動カムフォロワ３１６と連通している湾曲部３１５（またはピン継ぎ手）を特徴部として有するリンク装置３１４に接続されたステム３１９を有するポペットを備えている。特定の実施形態によっては、フォロワからバルブへの接続は、直接であってもよいし、リンクを介していてもよい。このリンクは並進するものであっても、並進および回転するものであってもよい。

この図３Ｃ３ａの特定の実施形態はローラー形態のカムフォロワを採用しているが、これは必須ではない。他の実施形態においては、フォロワは平坦であってもよいし、曲がっていてもよく、曲がったカムフォロワであればカム寸法を低減できるかもしれない。特定の実施形態によっては、カムフォロワは、枢動タイプであってもよいし、並進タイプであってもよい。

高圧側バルブの動作について以下詳述する。具体的には、図３Ｃ３ｂは、図３Ｃ３ａの実施形態用のシリンダーヘッドギアボックス３２０の実施形態の斜視図を示している。この図は、取り外し可能な吸入機構ユニットを示している。

図３Ｃ３ｃは、高圧側バルブのカバーを外した状態における図３Ｃ３ａの実施形態のギアボックスの斜視図を示している。この図は、ギアボックスおよびシャフトを定位置に残したまま、高圧バルブの上側および下側カムを取り外して、これにより、オーバーホール時間を低減することができることを示している。

図３Ｃ３ｄは、駆動カムアセンブリとの高圧バルブタイミング機構の相互作用を示した分解図である。この実施形態において、バルブの位相変化は、遊星ギア列の３番目の要素（または、他の実施形態においては螺旋駆動要素の位置）に作用する電気的アクチュエーターによって行うことができる。具体的には、遊星ギアに通じるウォームホイールを伴うステッピングモータウォームギヤを独立的に駆動させることにより、上側カムアセンブリの同心円状のカム／カムローブを互いに相対的に動かすことが可能になる一方で、それらはシャフトによって回転する。高圧バルブの位相変化は、槽圧、要求されるパワー、および／または、膨張機または圧縮機モードでの動作などの要因に依存し得る。

図３Ｃ３ｅは、高圧バルブのねじり剛性の高い枢動カムフォロワに対するデスモドロミック（例えば、スロウ／キャッチ）方式のバルブ制御を採用した上側および下側駆動カムアセンブリの簡略側面図を示している。この特定の実施形態は、バルブ開閉動作を独立に制御する２対の同期した位相変化可能なカムを採用している。

カム対は以下のように定義される。開カム対は、互いに対向回転するように同期した上側および下側カム、および同様に配置された閉カム対を含む。

動作時、下側開カムによってバルブをシートから持ち上げ、その後、上側開カムによって、速度を落としてフルオープンストップ上に載せることによって、開動作が実行される。調節可能な遅延（滞留時間）の後、最初に、上側閉カムを用いてフルオープンストップからバルブアセンブリを離して、その後、バルブアセンブリの速度を落としてから、バルブと下側バルブシートとを接触させることにより閉動作が行われる。上側カムアセンブリのカムローブ同士の重なり量を調節することにより、滞留時間および開時間のようなＨＰバルブの特性を制御することができる。

開カム対は互いにタイミングを合わせることが可能であるが、このタイミングはクランクに関してずらすことが可能であってもよい。これは閉カム対にも当てはまる。

具体的には、図３Ｃ３ｆは、様々な動作構成について、あるバージョンのバルブリフトをクランク角度に対してグラフにしたものである。図３Ｃ３ｆの上側のグラフは、閉カム対の絶対位置を変化させるようにタイミング機構を操作することにより、バルブ滞留またはバルブ開時間の長さを制御できることを示している。

図３Ｃ３ｆの中央のグラフは、開カム対および閉カム対の両方の絶対位置を同量だけ変化させるようにタイミング機構を操作することにより、滞留時間に影響を与えることなく、バルブ動作の開始点（ここではＰ）を制御できることを示している。図３Ｃ３ｆの下側のグラフは、開カム対および閉カム対の絶対位置を互いに独立して変化させる（例えば、互いに異なる量だけ動かす）ようにタイミング機構を操作することにより、滞留時間およびバルブ開点を両方制御し得ることを示している。

次の図は、高圧バルブ駆動機構の構造に関してより詳細に示している。図３Ｃ４ａは、一実施形態による専用高圧側バルブの各部を示す斜視図である。リンク装置３１４は、ねじり剛性の高い枢動カムフォロワ３１６を介して、２つの（上部および下部）カムアセンブリ３１７および３１８と相互作用する。図３Ｃ４ｂおよび３Ｃ４ｃは、それぞれ、カムアセンブリ間の枢動カムフォロワの位置を示す斜視図および拡大斜視図である。

図３Ｃ４ｄは、高圧側バルブの上側カムアセンブリ３１７の実施形態の斜視図を示している。図３Ｃ４ｅは、上側カムアセンブリの断面図を示している。図３Ｃ４ｆは、図３Ｃ４ｄのカムアセンブリ３１７の分解図を示している。

これらの図は、カム要素を同心円状に配置した特定のカムアセンブリを示しているが、これは必須ではない。他の実施形態では、互いに別々に配置されたカム要素を採用してもよい。

この高圧側の上側カムアセンブリは、容易な保守性のために硬さを最大限に上げるように設計してもよいし、および／または、カムタイミングの多様性を最大化するように設計してもよい。

図３Ｃ４ｇは、高圧側バルブのカムタイミング機構３２３の分解図を示している。図３Ｃ４ｈは、図３Ｃ４ｇのカムタイミング機構３２３の実施形態の断面図を示している。

これらの図は、カム要素が、遊星ギアボックス形態の機械的位相変化機構によって駆動される場合を示しているが、これは必須ではない。他の実施形態では、これに限定はされないが、螺旋駆動要素を含む他の構成を採用してもよい。

図３Ｃ４ｉは、湾曲部３１５およびコレット３２０を含むＨＰバルブのカムフォロワに対するリンク装置の実施形態を示している。湾曲部があることによって、ピン継ぎ手の質量を省いている。特定の実施形態において、湾曲部は、厚さ２．５ｍｍであり、穴部における引張荷重は５０００Ｎ引張および６Ｎ横（０．４４３ｍｍの横方向偏向であり、＋／−０．２５ｍｍであること要求される）である。

図３Ｃ４ｊは、図３Ｃ４ｉのインターフェースのコレット３２０の実施形態の拡大図である。安全溝を有するコレット３２０は、ステムに応力上昇特徴部が無い状態で、バルブステムに留まる。

図３Ｃ４ｊのコレット設計は、１つ以上の設計上のねらいを反映し得る。１つの目的は、「浮動開」力を低減するためにステムを小さく保つことである。もう１つの目的は、応力上昇部（例えば、より小さなステムを可能にするネジまたは溝）を最小限にすることであり得る。また、コレット設計は、カム機構を大切にするために、バルブミスタイミングの際の安全な失敗を提供してもよい。

他の手法を用いてバルブを機構に接続してもよい。１つの例は、ピン継ぎ手である。

図３Ｃ５ａ〜ｅは、駆動機構を含む専用低圧（ＬＰ）側バルブの実施形態の様々な図を示している。具体的には、図３Ｃ５ａは、バネ３１３を含む低圧側バルブ３０６の斜視図を示しており、バネ３１３は、プレート３１９に押し当てられており、ロッド３１１およびアーム３１２を上方向に付勢し、これにより、閉位置においてポペットがバルブシートに下から係合する。

図３Ｃ５ｂは、図３Ｃ５ａの低圧側バルブの断面図を示している。この図は、オイルシールおよびガイドブッシュパッケージ保護３３０およびマシン上にヘッドがある状態で取り外し可能なシールパック３３１を示している。

オイルシールは、潤滑オイルがバルブ機構筐体外への漏れることを防ぐ。シールパックは、空気が逃げるのを防ぐ。これらの２つの機能は、１つのシールによって達成し得る。また、ガイドブッシュ３３０は、フォロワの横方向の力に反作用する。

図３Ｃ５ｃは、独立回転可能カム３２６、３２７を含む低圧側バルブの駆動機構３２５の実施形態の端面図を示しており、独立回転可能カム３２６、３２７は、アーム３１２を係合して、ロッドを下げ、バネを押圧してＬＰバルブを開くように構成されている。図３Ｃ５ｄは、ＬＰバルブ駆動機構の斜視図を示している。

図３Ｃ５ｅは、ＬＰバルブのバルブタイミング機構の断面図を示している。ＬＰバルブカム上の遊星位相変化機構は、滞留時間および／または位相変化の変更を可能にする。

高圧バルブのタイミング機構と同様に、ＬＰバルブの駆動は、（遊星ギアボックスまたは螺旋部材などの）位相変化装置によって相対的なローブ位置が制御される２つのカムによって行われる。これらの２つのカムは、カムフォロワのためのバネおよび／または圧力返しと連携して、開閉のタイミングを独立して制御する。特定の実施形態によっては、平坦または曲がった直進カムフォロワを用いてもよい。

図３Ｃ１に示す特定の実施形態に戻って、図３ＤＡは、圧縮モードにおける図３Ｃ１のバルブの動作を示すグラフである。図３ＤＢは、膨張モードにおける、図３Ｃ１のバルブの動作を示すグラフである。

図４Ａ１ａは、高圧ステージに好適であり得るそのような気体流バルブの一実施形態の閉位置における簡略図を示している。図４Ａ１ｂは、開位置におけるこのバルブ実施形態の簡略図を示している。

バルブ４００は、チャンバー（圧力Ｐｃ）および高圧側（圧力Ｐｈ）の間においてポペット４０２を備えている。ポペットは、バルブシートと係合してシールを形成するように構成された上部４０３と、バルブシートの開口部内に突出するように構成された下部シュラウド４０５とを備えている。シュラウドは、ポペットがより小さな加速を受けている時（例えば、開こうとしているポペットがバルブシートから離れた直後、および、閉じようとしているポペットがバルブシートに係合する直前）にバルブシート内の開口部を占めるように機能する。このようにして、シュラウドは、（例えば、上記図３Ｂに示すように）バルブの開／閉プロファイルを急峻化する機能を果たす。

ステム部４０４は、チャネル４１０を通してチャンバーと流体連通している内部空間４０８内にある上部プレート部４０６にポペットを連結する。ロッド４１２は外部と連通しており、周囲圧力（Ｐａ）に曝されている。シール４２０は、上部プレート部周辺（故に、バルブが閉じている時にはチャンバーおよび高圧側の間）において気体流をブロックする。

バルブ４００は、駆動軸Ｚに沿って、実質的に均衡が保たれた圧力による力を受けるように動作するように設計されている。これにより、力、故に、消費エネルギーを低減したバルブ駆動が可能になる。

図４Ａ１ａは、この気体流バルブの特定部分の特定寸法（領域Ａ＃）を示している。具体的には、上部プレートの領域Ａ１、および、ポペットのシュラウド領域Ａ５はチャンバー圧に曝される。ロッドのより小さい領域Ａ２のみが外部周囲圧力に曝される。ポペット上の上部領域Ａ４〜Ａ３は、プレート４０６の下側、領域Ａ１〜Ａ３と同様に、高圧側圧力（ｐ_ｈ）に曝される。

圧縮／膨張環境におけるこのバルブ実施形態の性能をモデリングした。具体的には、以下の特性を持つシリンダーに関してモデリングを行った。
・２００ｍｍストローク、
・１４０ｍｍ口径、
・高圧（ＨＰ）バルブ径：６０ｍｍ、
・ＨＰバルブリフト：１８ｍｍ、
・死容積／行程容積＝０．０３、
・１２００ＲＰＭ。

特定の仮定を用いてシリンダー圧の単純モデルを作成した。
・漏れ無し、壁との熱交換無し、
・圧縮および膨張曲線のポリトロープ指数を１．０５とする（モデルは水滴、熱伝達などを考慮していない）、
・値は全開または全閉のいずれか（不連続バルブ面積プロファイル）、
・バルブを通る空気流量は、ピストン運動に基づいて決定する、
・バルブ間にわたる圧力降下は、空気流量および実効的バルブ流領域と、排出係数とによって決定する、
・チャンバー内（ポペット上）の圧力は、シリンダー圧と全く等しい、
・ポペットおよびシートの間の線接触、
・バルブの早／遅開／閉は無し（０°または１８０°のいずれか）。
このモデル下におけるチャンバー条件を示すＰＶ図である図５Ａ〜Ｃを以下さらに説明する。

図４Ａ１ｃ〜ｊは、このモデル下における様々なシステム特性をグラフにしたものである。例えば、図４Ａ１ｃは、圧縮時におけるシリンダー圧をクランク角度に対してグラフにしたものである。

圧縮または膨張サイクルにおいて様々な地点で高圧バルブにかかる力の分析を次に行った。上記のように、バルブは全開または全閉のいずれかであると仮定した。

システムの力学を考慮せずに簡略化された流体熱力学を仮定している。バルブにかかる抵抗力はバルブ位置が変わると変化するが、その効果は無視している。摩擦力も無視している。

この簡略化モデルを用いて、バルブを開状態または閉状態に保つのに必要な力の量を求めた。バルブにかかる力がカムまたはバルブシートのいずれによって付与されているのかも分かった。

全閉時、圧力によってポペットにかかる力は、以下の理想的な圧力プロファイルに従った。
但し、取消線が付与された項は、他の項と比べて無視し得る大きさの項である。例えば、εは、内部バルブチャンバーとチャンバーを接続する導管中の圧力降下の大きさを表している。

バルブが全開で、空気がシリンダーに出入りしている時、圧力によってポペットにかかる力は、以下の理想的な圧力プロファイルに従った。
やはり、取消線が付与された項は、最初の２項と比べて無視し得る大きさの項である。

これらの等式（１）および（２）は、様々な圧力に曝される複数の領域を有する複数の部品でバルブを設計し、そのバルブが受ける力の均衡を保つようにすることが可能であることを示している。このようなバルブ設計は、駆動力を大幅に低減し、それにより、圧縮気体エネルギー貯蔵システムの効率を向上させ得る。

図４Ａ１ｄ〜ｊにおいて、実線は、開いているバルブが１つも無いチャンバー内の条件を示しており、破線は、少なくとも１つのバルブが開いているチャンバーを示している。図４Ａ１ｄは、圧縮時においてバルブ実施形態にかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。このバルブ実施形態において、バルブ寸法（面積）はＡ１＝Ａ２である。これは、均衡を欠いたチャンバーでの典型的なポペットバルブに相当する。この構成においてバルブにかかる力は、均衡のとれたバルブ実施形態のものよりも高く見える。

図４Ａ１ｅは、圧縮時において、閉均衡バルブ（Ａ１＝０．９５Ａ４）の実施形態にかかる合計圧力をクランク角度に対してグラフにしたものである。図４Ａ１ｆは、膨張時において、この閉じたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

図４Ａ１ｇは、圧縮時においてこの開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。図４Ａ１ｈは、膨張時においてこの開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。

バルブにかかる力は、線接触か面接触によって変わり得る。図４Ａ１ｉは、線接触（接触線の直径６０ｍｍ）時において開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。図４Ａ１ｊは、面接触（内側および外側の接触円の直径５８ｍｍおよび６０ｍｍ）時において開いたバルブにかかる力をクランク角度に対してグラフにしたものである。図４Ａ１ｉおよび４Ａ１ｊを比較すると、ポペットを持ち上げる／押すのに必要な力は約２０Ｎしか変わらないことが分かる。

図４Ａ２ａは、高圧ステージに好適であり得る気体流バルブの別の実施形態の閉位置における簡略断面図を示している。図４Ａ２ｂは、開位置におけるこの気体流バルブ実施形態を示している。

この特定の実施形態も均衡特性を用いているが、幾何学形状が改変されている。具体的には、ステムがバランスピストンと同程度の大きさであり、バランスピストンシールは内側ではなく外側である。特定の条件下において、死容積を低減するために均衡チャンバーに水を入れることも可能である。

気体流バルブ実施形態４５０は、上記したような機能を有するシュラウド４５１を含む。気体流バルブ実施形態４５０もまたカーテン設計であり、軸Ｚに沿ってバルブを駆動すると、カーテン部４５２の存在により開けられたり遮断されたりするバルブを通して種々の方向に気体が流れる。上記した４Ａ１ａ〜ｂの実施形態と同様に、このバルブの内部空間４５４は、流路４５５を通してチャンバーと流体連通しており、よって、チャンバー内とほぼ同じ圧力（Ｐｃ）がかかるように構成されており、これにより、駆動に必要なエネルギーが低減する。シールＳは、バルブが閉位置にある時に、カーテン部に沿って内部空間と高圧側との間で気体が漏れてしまうことを防ぐ。

図４Ａ３ａは、高圧ステージに好適であり得る気体流バルブのまた別の実施形態の閉位置における簡略断面図を示している。図４Ａ３ｂは、開位置における、この気体流バルブ実施形態を示している。

気体流バルブ実施形態４６０は、上記したような機能を有するシュラウド４８０を含む。この図４Ａ３ａ〜ｂの特定の気体流バルブ４６０は通気カーテン設計であり、上記実施形態におけるチャンバーへの流路が、バルブのポペット部４６１に存在するベント４６２に替わっている。これらの上記実施形態と同様に、ベントは、バルブ内部とチャンバーとの間の圧力差を実質的に均等化する機能を果たし、これにより、（バルブを通る気体流の方向とは異なる）軸Ｚに沿ったバルブ駆動に必要なエネルギー量を低減する。上記実施形態と同様に、カーテン部４６４は、チャンバーと高圧（Ｐ_ｈ）側との間の気体流を通過させるあるいは遮断するように選択的に動かすことができる。

図４Ａ３ａ〜ｂのバルブ設計はシュラウド部材４８０をさらに含む。シュラウドは、より急峻な開プロファイルを得るために、バルブが開く際の、時間に対する実効的バルブ面積のプロファイルを変化させる機能を果たす。

図４Ａ３ａ〜ｂの気体流バルブ実施形態は、上記バルブ実施形態と比較して１つ以上の利点を提供する。１つは簡略化された設計であり、チャンバーとバルブ内部との間で圧力を均等化するチャネルを省くことができる。

この実施形態によって提供され得るもう１つの利点は、バルブ死容積の低減である。具体的には、（図４Ａ３ｂに示すような）バルブ開条件において、バルブ部４７０は、内部バルブ空間４７２内に突出し、実質的にその全容積を占める。

特定の実施形態によれば、圧縮機または膨張機内での気体液体熱交換を促進するために、気体流バルブに噴霧器を設けてもよい。図４ＢＡ〜ＢＢは、噴霧ノズルが設けられた、図４Ａ３ａ〜ｂと同様のバルブ実施形態の図を示している。

いくつかの実施形態によれば、バルブ高さを最小限にして死容積を低減するために、バルブに対するポートの高さを低減することが望ましい場合がある。図４ＣＡ〜ＣＢは、ポートの高さが異なるバルブを通る流量を示している。図４ＣＣは、種々の実施形態における流量をポートの高さに対してグラフにしたものである。

特定の実施形態において、ステムの負荷および応力を低減するために、バルブステムの直径を増大することが望ましい場合がある。図４ＤＡ〜ＤＤは、流量に対するバルブスカートの直径の効果をＣＦＤで調べた結果を示している。具体的には、図４ＤＡ〜ＤＣは、互いに異なるバルブボディを有するバルブを通る流量を示している。図４ＤＤは、種々の実施形態について、バルブボディに対する流量をグラフにしたものである。

加速、および、マシン動作に対するバルブ動作のあらゆる影響をチェックしてもよい。図４ＥＡ〜ＥＤは、リフト：８ｍｍ、オーバーシュート：２２０バール、バルブ半周期：２５°、軽度シュラウディング、上部（均衡）チャンバーにおける温度変化：−２０〜＋３１０℃、および、ＨＴ係数適用：無、におけるバルブ実施形態の様々な特性を示している。図４ＦＡ〜ＦＤは、リフト：１５ｍｍ、オーバーシュート：２１０バール、バルブ半周期：２５°、軽度シュラウディング、温度変化：−２０〜＋３１０℃、および、ＨＴ係数適用：無、におけるバルブ実施形態の様々な特性を示している。

ＰＶ図

特定の実施形態によるシリンダー内の圧力−容積プロファイルは、以下のＰＶ図を参照して理解され得る。

具体的には、図５Ａは、実施形態における圧縮機モードの圧力対容積をグラフにしたものである。図５Ａは、具体的には、ｎ＝１．０５、ｎ＝１．４と、モデリングした結果との比較を示している。この図は、低圧（ＬＰ）バルブのデルタＰがかなり容易に得られたことを示している。

図５Ｂは、図５Ａの低容積／圧力条件における圧力対容積の拡大図を示している。図５Ｂにおいて、ＬＰバルブ面積＝０．２ｘ孔面積または６２ｍｍである。駆動ＨＰバルブ面積＝ＬＰバルブ面積であり、自動ＨＰバルブ＝２５ｍｍｘ２である。

受動バルブのみを用いる場合、圧力オーバーシュートまたは過度の逆流を防ぐために、ＨＰバルブタイミングが重要であり得る。自動受動高圧バルブがあれば、圧縮時におけるさらなる流れおよび安全性特性を提供できる。

図５Ｃは、膨張機モード時におけるＰＶ曲線である。この図において、熱伝達はシリンダー内の水容積に比例するものとしてモデリングしており、ＨＰバルブ開状態およびＴＤＣにおいて、利用可能な水はあまり存在せず、そのため、熱伝達係数（ＨＴＣ）は０．７（圧縮機モード）から２へと増大させなくてはならず、それでも、結果は完璧には目標のｎ＝１．０５に等しくならない。水吸入温度は空気吸入温度と等しくなっており、圧縮機モードにおいて出口では３度だけ高く、膨張機モードでは開始時２０度だけ高く、これにより、熱エンジンの利点を許容する。このＰＶ図は、単純理想化ＰＶに非常に近く、死容積損失のある圧縮機モードよりもずっと面積が大きい。ＬＰバルブ開度は圧縮機モードにおいて８０度であるが、より速い開度（６０度）が必要であり、さもなくば、シリンダー圧がＢＤＣにおいてＬＰ槽よりも低下する。

図５Ｄは、実施形態によるバルブのサイズ決めを示している。具体的には、図５Ｄは、ピストンから見たシリンダーヘッドを示しており、低圧バルブ（ＬＰ）はチャンバーの方向に開いており、よって、ピストンに干渉しないように凹部内に位置している。能動高圧（ＨＰ）バルブは、チャンバーとは反対方向に開き、よって、凹んでいない。

圧縮機モードにおいては、僅かなバルブタイミングミスがシリンダー圧に大きな影響を与え得る。安全のために、自動ＨＰバルブが必要である。これらは駆動バルブヘッドと組み合わせてもよいし、現行のまま別体であってもよい。従って、図５Ｄ中のより小さい円は、２つの受動駆動されるＨＰバルブを示している。駆動ＨＰバルブに加えて自動も使用することにより、圧縮機モードにおける安全性および向上したオーバーシュート性能が得られる。

膨張機動作について、ＰＶ図は、ずっと大きな面積を有しており、圧縮機モードよりもＨＰバルブタイミングはより短く、デルタＰはより大きい。

１つの可能な方法は、膨張機動作における最小バルブサイズおよび最短タイミングを決定することである。そして、圧縮機モード動作（１４０孔ｘ２００ストロークでは０．１８ｘ孔面積＝ＨＰバルブ面積膨張機動作を必要とする）の自動バルブを追加する、孔面積＝１５３９３ｍｍ^２。最小膨張機バルブ径＝６０ｍｍ。

圧力負荷＋最終的なパーツ質量で、提案の加速が達成可能かどうかの確認が必要である。

次の図に示すように、小さい直径の槽線によるいくらかの圧力降下があるかもしれない。具体的には、図５ＤＡは、膨張時のＰＶ曲線を示しており、ＨＰバルブの面積＝０．１８ｘ孔面積である。図５ＤＢは、膨張時のＰＶ曲線を示しており、ＨＰバルブの面積＝０．３ｘ孔面積である。

ポンプ

実施形態は、液体を流して、圧縮または膨張中の気体と熱交換するためにポンプおよび／または振動水柱を採用してもよい。特定の実施形態において、熱交換のために流される液体は水であってもよい。

このような実施形態による水ポンプは、特定の要件および設計目標に合わせて設計されてもよい。水ポンプの一実施形態は、３：１ＭＦに基づいて、１．５２６ｋｇ／秒または０．０７６３Ｌ／回転の水流を提供し得る。ポンプ実施形態は、最大２７０〜２８５バールの圧力を示し得る。実施形態のコストは、初期設計のシンプルさに依るプラントのコストであり得る。ライフタイムコストは、連続運転４２５０時間〜６ヶ月の保守間隔での保守性および寿命を反映し得る。ポンプ実施形態は、低いまたは高い吸入供給圧力性能を示し得る。ポンプのサイズが小さいと、出荷が容易になり、材料費およびパッケージングが低減され得る。

ある種の水ポンプ設計は、インラインカムおよびフォロワ型の構成を使用し得る。そのような構成は、全体の長さからパッケージングの問題を生じ得る。

水平方向に対向した構成はパッケージングを向上するが、ベアリング負荷はやはり問題であり、これにより、ベアリングが過度に大きくなったり、摩擦損失が大きくなったりする。従来のカムタイプのポンプは、フォロワを戻すために加圧供給を必要とする。

従って、特定のポンプ設計は、開閉カムを有するキャリアタイプのカムフォロワを用いる。対向プランジャーは、圧力を均衡化し、吸入吸引（即ち、供給ポンプ無し）を可能にする。プランジャーの材料候補は、窒化珪素、アルミナ、サファイア、他のセラミックス、ステンレス鋼、チタン、および他の合金を含むが、これらに限定はされない。

図６Ａは、ポンプ実施形態が水を０〜３６０度、質量分率（ＭＦ）２．７５：１で供給した場合の５０バールの槽圧をグラフにしたものである。いくつかの実施形態において、高圧に保たれた分離された水を貯蔵して再使用して、再注入する（例えば、図７Ｂのシステム）のが望ましい場合がある。従って、図６Ｂは、ポンプ実施形態が水を３２９〜１１度、質量分率（ＭＦ）４．２：１で供給した場合の２００バール槽圧をグラフにしたものである。

一実施形態によれば、噴霧ノズル全体にわたって７０〜８５バール、デルタＰとなり、且つ、低い槽圧において最小質量分率（ＭＦ）が２．７５：１となるような流量となるように容量ポンプのサイズが決められる。図６Ｃは、噴霧の角度毎のノズルリング数をグラフにしたものである。図６Ｄは、ノズルリング数に対して噴霧の角度をグラフにしたものである。

図７Ａは、一実施形態による液体流システムを示す簡略図である。具体的には、この実施形態では、水は、分離されて、１５〜３０バールの間の圧力で槽内に貯蔵される。プライミングポンプにより、始動時の水ポンプの吸入圧力が正しくなるようにすることが可能である。

図７Ｂは、２００バールで分離された水をその後再注入する別の実施形態による液体流システムを示す簡略図である。図７Ｂのシステムは、分離器の排水にバルブが無く、プライミングポンプが無く、摩擦ＨＰが低いので、いくつかの点において進歩的であると考えられ得る。

図８Ａは、高圧水ポンプコンセプトの実施形態の断面図である。この実施形態による水ポンプは、セラミックのプランジャーおよびプランジャースリーブを採用している。図８Ｂは、ＨＰピストンアセンブリに対する水ポンプサイズを示す拡大図である。

図８Ｃは、均衡化プランジャー水ポンプ構成の簡略断面図である。

特定の実施形態によれば、逆止バルブの大きさを抑え目にして、プランジャーチャンバーにおける圧力降下および脱気のおそれを低減することも可能である。図８ＤＡは、実施形態による吸入バルブの簡略断面図を示している。図８ＤＢは、実施形態による排出バルブの簡略断面図を示している。

図８Ｅは、供給ポンプが必要にならないようにするための保持部の詳細の拡大図を示している。具体的には、バネおよび保持具が溝に固定されて、プランジャーが固定されている。

以下、液体ポンプの構造を図９〜９ＨＩに関連して詳述する。具体的には、図９は、液体ポンプの実施形態の簡略斜視図である。

図９Ａは、液体ポンプの実施形態の半体の簡略断面図である。この図に示すように、ポンプは、カムの動きに基づいて駆動される。図９Ｂは、カム位置に対するリフトをグラフにしたものである。

図９Ｃは、液体ポンプの逆止バルブの計算流体力学（ＣＦＤ）モデルの断面図を示している。図９Ｄは、流速グラフを示している。図９Ｅは、流路を示す流速グラフである。図９Ｆは圧力降下のグラフである。

図９Ｇは、４プランジャー水ポンプの実施形態の斜視図を示している。図９Ｈは、液体ポンプ実施形態の断面図を示している。図９Ｉは、図９Ｈの液体ポンプ実施形態を拡大して示している。

図９Ｊは、図９Ｈ〜Ｉの実施形態のプランジャーおよびカムフォロワの簡略斜視図を示している。具体的には、この図は、キャリアタイプのカムフォロワを示している。

図９Ｋは、図９Ｈ〜Ｉの実施形態のカムを含む図を示している。

プランジャーによって排出される液体は、液体噴霧リングの各穴に流してもよい。１対以上のプランジャーが１つの噴霧リングに供給してもよい。一番上のリングは３対で、次のリングは２対で、そして、一番下のリングは１対で供給してもよい。より上にあるリングは、１サイクル中より長時間噴霧するので、より多くの対によって供給してもよい。

図１０Ａ〜Ｃは、加圧液体からエネルギーを復元し得るシャトルバルブ付き水ポンプコンセプトの図を示している。具体的には、図１０Ａは、ピストンがＢＤＣにあり、排出側が開いたばかりで吸入側が閉まったばかりの状態を示している。図１０Ｂは、ピストンが上昇中で、排出側が開いており、水が噴霧に向かっている状態を示している。図１０Ｃは、ピストンがＴＤＣにあり、排出側が閉まったばかりで、吸入側が開いたばかりの状態を示している。

このシャトルバルブ水コンセプトは、いくつかの特徴を示し得る。水がバルブを通ってシリンダーに入り、仕事が取り出される。最大７０バールではなく、２００−１５−７０バールであることにより、カムフォロワはより大きな力を受け得る。バルブの重なりによって、いくらかの貫通漏れが生じるかもしれない。バルブクリアランスによって、いくらかの漏れが生じるかもしれない。ピストンとバルブとの接触の衝撃は、作動流体によって緩衝される。水を、平坦な接触面の間でダッシュポット流体として作用させることも可能である。他の実施形態では、制御目的で、プランジャー動作またはソレノイドとプランジャー動作の組み合わせの代わりに、シャトルバルブ制御にソレノイドを用いることも可能である。

ここで図２に戻って、エネルギー貯蔵システムの実施形態は、２つのステージのクランクを受けるように構成されたクランクケースを含む。図１１Ａ〜Ｍは、クランクケースの特定の一実施形態の様々な図を示している。

具体的には、図１１Ａは、実施形態によるクランクケース１１００の片側半体の斜視図を示している。図１１Ｂは、図１１Ａのクランクケースの斜視図を示しており、接合面を示している。

図１１Ｃは、組み立てられたクランクケースの斜視図を示している。図１１Ｄは、組み立てられたクランクケースの上面図を示している。図１１Ｅは、クランクケース、および、クロスヘッドベアリングを潤滑するためのオイル供給地点の断面図を示している。

図１１Ｆ〜Ｈは、クランクケースの様々な部分の拡大図を示している。

図１１Ｉは、実施形態によるバルブと受け板を示す拡大図である。ピストンの排出を利用して、クランクケースからオイルを取り除く。ピストンがクランクシャフトに向かって移動する際、クランクケース容積が低減し、オイルおよび空気が、スクレーパーおよびリードバルブまたは複数のバルブを介してクランクケースから外に出る。ピストンがクランクシャフトから離れる方向に移動する際、別の穴およびリードバルブを介して空気が引き込まれ、そして、このサイクルが繰り返される。

図１１Ｊは、実施形態によるリード位置を示す拡大図である。この実施形態では、隣接するネジにより所定位置に固定された６個のリードがあるが、どの個数でも同じ動作原理で用いることができる。

実施形態は、マシンを完全に分解することなくガジオンピンを取り外して交換できるように、ガジオンピンアセンブリツールを採用してもよい。このようにして、開発中に表面条件をモニタリングしてもよい。

図１２Ａは、実施形態によるクランクケースおよびガジオンピンアセンブリツールの図を示している。図１２Ｂは、ガジオンピンアセンブリツールの拡大図を示している。図１２Ｃは、ガジオンピンアセンブリツールの別の図を示している。

１．第１の複数の液体噴霧器内に規定された第１のチャンバー内で可動である第１のピストンを備えた低圧可逆圧縮機／膨張機と、
第２の複数の液体噴霧器内に規定された第２のチャンバー内で可動である第２のピストンを備えた高圧可逆圧縮機／膨張機と、
第１のピストンおよびシャフトの間の第１の機械的リンク装置と、
第２のピストンおよびシャフトの間の第２の機械的リンク装置と、
第１の複数の液体噴霧器と流体連通している第１の液体ポンプと、
第２の複数の液体噴霧器と流体連通している第２の液体ポンプと、
前記第２のチャンバーとの気体の流体連通状態を選択的に制御するように構成されたポペット部およびカーテン部を備えた高圧バルブと、
を備えたシステム。

１Ａ．前記第１の複数の液体噴霧器が１つ以上の噴霧リング内に配置された、上記１項に記載のシステム。

２．前記第１の液体ポンプは、回転カムと連通した複数のプランジャーを備えている、上記１項に記載のシステム。

３．前記プランジャーのそれぞれによって排出された液体は、前記第１の液体噴霧リングの各穴に流される、上記２項に記載のシステム。

４．前記高圧バルブは液体噴霧器を備えている、上記１項に記載のシステム。

５．前記高圧バルブは、前記第２のチャンバーの圧力と実質的に等しくなるように構成された内部空間を規定する、上記１項に記載のシステム。

６．前記ポペット部は、前記第２のチャンバーと前記内部空間との間にベントを規定する、上記５項に記載のシステム。

７．前記ベントを介して前記第２のチャンバーおよび前記内部空間に液体を導入するように構成された液体噴霧器をさらに備えた、上記６項に記載のシステム。

８．圧力チャンバーおよび前記圧力チャンバーと実質的に同じ圧力を有する内部バルブチャンバーの間において第１の方向に選択的に駆動可能なポペット部と、
バルブシートの開口部内に突出するように構成されたシュラウド部と、
を備えた、気体流バルブの可動要素。

９．前記圧力チャンバーおよび高圧側の間において可動であり、それにより、前記圧力チャンバーおよび前記高圧側の間において、気体が、前記第１の方向とは異なる第２の方向に流れるようにするカーテン部、をさらに備えた、上記８項に記載の可動要素。

１０．前記ポペット部は、前記圧力チャンバーと前記内部バルブチャンバーとを流体連通にするベントを規定する、上記８項に記載の可動要素。

１１．前記ベントは、前記内部バルブチャンバーと液体連通している噴霧ノズルから前記圧力チャンバーへと液体が連通することを許可するように構成された、上記９項に記載の可動要素。

１２．前記カーテン部は前記ポペット部と一体である、上記８項に記載の可動要素。

１３．前記高圧側は、前記内部チャンバーを取り囲む平面内に存在し、
前記第１の方向は、前記平面に実質的に直交しており、
前記第２の方向は、実質的に前記平面内の半径方向を含む、
上記８項に記載の可動要素。

実施形態は、圧縮気体エネルギーシステムと関連して稼動するように適合化されていてもよい。そのようなエネルギーシステムの様々な例が上記公開公報に記載されている。

図１３は、そのような圧縮気体エネルギーシステムの一実施形態の簡略図を示している。具体的には、システム１３００は、中に可動に配置されたピストン１３０６を有するシリンダー１３０４を備えた圧縮機／膨張機１３０２を含んでいる。ピストンのヘッド１３０６ａは、ピストンロッド１３０６ｂおよびリンク装置１３１０（ここでは、クランクシャフト）を通してモータ／発電機１３０８に連通している。

圧縮モードの動作において、モータとして機能するモータ／発電機１３０５によってピストンを駆動して、それにより、シリンダー内で気体を圧縮してもよい。圧縮気体は、気体貯蔵タンク１３７０に流してもよいし、または、次のより高圧のステージに流してさらに圧縮してもよい。

膨張モードの動作において、気体をシリンダー内で膨張させることによってピストンを動かして、これにより、発電機として機能するモータ／発電機を駆動してもよい。膨張気体は、システムの外に流してもよいし、または、次のより低圧のステージに流してさらに膨張させてもよい。

シリンダーは、バルブ部１３１２を通して高圧側または低圧側と選択的な流体連通状態にある。この特定の実施形態において、バルブ部は、単一の複数方向バルブとして、簡略化して図示している。しかし、様々な実施形態において、高圧および低圧側との流体連通状態にそれぞれ専用のバルブを採用してもよい。そのような専用の高圧側バルブおよび低圧側バルブの特定の実施形態は上記の通りである。

いくつかの実施形態は、一連の複数の一方向、二方向または三方向バルブの構成を含み得る。様々な実施形態における使用に適したバルブ種類の例は、スプールバルブ、ゲートバルブ、シリンダーバルブ、ニードルバルブ、パイロット弁、ロータリーバルブ、ポペットバルブ（カム駆動ポペットバルブを含む）、油圧作動バルブ、空気作動バルブ、および、電気作動バルブ（ボイスコイル作動バルブを含む）を含むが、これらに限定はされない。

圧縮モードでの動作時、低圧側からの気体はまずシリンダー内に流され、そこでピストンの動作により圧縮される。その後、圧縮気体は、シリンダーから高圧側へと流出する。

膨張モードでの動作時、高圧側からの気体はシリンダー内に流され、そこで膨張してピストンを駆動する。その後、膨張気体は、シリンダーから低圧側へと排気される。

実施形態は、特定の熱力学的効率を達成するために、圧縮または膨張中の液体および気体間での熱交換を利用してもよい。従って、システムは、ポンプ１３３４およびバルブ１３３６および１３４２を含む液体流ネットワーク１３２０をさらに含む。

一般に、様々な実施形態において、熱交換を行うために気体に導入される液体は、チャンバー内において燃焼するとは思われていない。従って、熱交換を行うために注入される液体は可燃性であり得るが（例えば、油、アルコール、灯油、ディーゼルまたはバイオディーゼル）、多くの実施形態において、その液体がチャンバー内で燃焼するとは予想されていない。少なくともこの点において、実施形態による液体導入は、液体をタービンやモータ内に導入して燃焼させる場合とは異なり得る。

液体流ネットワークは、膨張中または圧縮中の気体と熱交換を行うためにシリンダー内に液体を注入するように構成されている。この実施形態において、液体は、ノズル１３２２を通して、気体の圧縮および／または膨張が起こるチャンバー内に直接注入される。しかし、これは必ずしも必須ではなく、他の実施形態では、圧縮または膨張チャンバーの上流に位置する混合チャンバーにおいて液体を気体に導入し、その後、その気体液体混合物をチャンバー内に流すことを特徴としてもよい。そして、本明細書中に記載したように、バルブ自身の中で液体を注入してもよい。様々な実施形態では、液体の導入を、直接チャンバーに行う、チャンバーの上流で行う、バルブを通して行う、またはこれらの手法の組み合わせで行うことを採用してもよい。

図１３の特定の実施形態では、液体を噴霧することによって気体内に導入して熱交換を行うことを示したが、この方法も必ずしも必須ではない。様々な実施形態において、バブラーを用いて、気体を泡として液体内に導入してもよい。いくつかの実施形態では、バブリングと組み合わせて液体噴霧を採用してもよい。

圧縮気体または膨張気体と熱交換するためにシリンダー内に導入した液体は、後に、それぞれ低圧側および高圧側に配置された気体液体分離器１３２４および１３２６によって回収される。気体液体分離器の設計例には、垂直型、水平型、球状型が含まれる。このような気体液体分離器の種類の例には、サイクロン分離器、円心分離器、重力分離器、および（メッシュ型コアレッサー、翼体、または他の構造を用いた）デミスター分離器が含まれるが、これらに限定はされない。

分離された液体は、液体回収部（それぞれ１３２４ａおよび１３２６）に貯蔵されてもよい。分離器の液体回収部は、分流器バッフル、接線方向バッフル、遠心分離機、エルボー、波防止器、渦防止器、消泡プレート、スティリングウェルおよびミスト抽出器を含む吸入分流器のような要素を含んでいてもよい。

回収された分離された液体は、その温度特性を維持または向上させる条件下で貯蔵され得る。例えば、回収された分離された液体は、その温かさまたは冷たさを保つために断熱された貯蔵容器に貯蔵されてもよい。

回収された分離された液体は、熱源またはヒートシンクと熱的連通状態に置かれてもよい。可能な熱源の例には、例えば、モータ、発電機、および／または、ポンプからの熱など、装置内部の熱源が含まれる。可能な熱源の他の例には、例えば、燃焼タービンや、ソーラーまたは地熱などの再生可能エネルギーからの熱など、装置外部の熱源が含まれる。可能なヒートシンクの例には、冷却塔、天然に存在する水、海中、および、高地または高緯度での外部環境が含まれる。

貯蔵された液体は、再注入のために温度調節されてもよい。温度調節は、熱回路網を用いて行われてもよい。そのような熱回路網の部品の例には、液体流導管、気体流導管、ヒートパイプ、絶縁容器、（向流熱交換器を含む）熱交換器、ループヒートパイプ、熱サイフォン、熱源、および、ヒートシンクが含まれるが、これらに限定はされない。

例えば、気体圧縮が行われる動作モードにおいて、気体液体分離器１３２６から回収される加熱された液体は、ヒートシンク１３３２と熱的連通状態にある熱交換器１３２８を通して流される。ヒートシンクは、冷却塔、ファン、冷却器またはＨＶＡＣシステムとしての人工的ヒートシンク、または、環境（特に高緯度または高地）または天然に存在する水に存在する深さ温度勾配としての天然ヒートシンクを含む多数の異なる形態の１つをとり得る。

気体膨張が行われる動作モードにおいて、気体液体分離器１３２４から回収される冷却された液体は、熱源１３３０と熱的連通状態にある熱交換器１３５２を通して流される。やはり、熱源は、人工的であってもよく、産業プロセス（燃焼を含む）または他の人工の活動（例えば、サーバーファームによって生成されるもの）によって発生する熱の形態をとる。あるいは、熱源は、例えば、天然の地熱またはソーラー（熱ソーラーシステムによって利用されるものを含む）など天然であってもよい。

システムを通る液体および／または気体の流れは、流体および／または空気回路網を用いて生じてもよい。流体回路網の要素の例には、タンクまたは槽、液体流導管、気体流導管、ポンプ、ベント、液体流バルブ、気体流バルブ、スイッチ、液体噴霧器、気体スパージャー、ミキサー、蓄積装置、および、分離器（気体液体分離器および液体液体分離器を含む）、油圧モータ、油圧変圧器、および、コンデンサーが含まれるが、これらに限定はされない。空気回路網の要素の例には、蓄積装置、気体チャンバー、液体チャンバー、気体導管、液体導管、および、空気モータが含まれるが、これらに限定はされない。

図１３に示すように、システムの様々な部品は、例えば、光学式、磁気式または半導体原理に基づく非一時的コンピュータ可読記憶媒体１３５４と通信状態にあるセントラルプロセッサ１３５０と電気通信状態にある。プロセッサは、媒体１３５４内にコードとして格納されている命令に基づいて各システム要素の動作を統合制御するように構成されている。

また、システムは、これらに限定はされないが圧力、温度、容積、湿度およびバルブ状態を含むシステム内の様々な特性を検出するように構成された複数のセンサ１３６０を含む。プロセッサによって各システム要素の動作を統合制御することは、少なくとも部分的に、これらのセンサから集められたデータに基づいていてもよい。

例えば、プロセッサによって統合制御し得る各システム要素の動作の一形態は、気体流バルブタイミングの能動的制御である。図１４Ａ〜Ｃは、往復ピストンがＢＤＣに到達する前に、膨張サイクルにおいて気体流バルブ１４３７が閉じるところを示している。このバルブタイミングは、シリンダーに入ることを許可される圧縮気体の量（Ｖ０）をシリンダーの全容積未満に制限する機能を果たす。このような低量（Ｖ０）の圧縮気体が入ると、チャンバー内で膨張した気体の圧力と、低圧側の圧力とのＢＤＣにおける差が低減することにより、エネルギー復元効率の望ましい向上をもたらし得る。この低圧側は、次に低い圧力ステージ（マルチステージ膨張機の場合）であってもよいし、あるいは、排出（最終ステージまたは単一ステージ膨張機の場合）であってもよい。

能動的バルブ駆動もまた、圧縮気体の膨張によるパワーの復元を向上し得る。例えば、図１４Ｄ〜Ｆは、膨張サイクルにおいて気体流バルブ１４３７が閉じるところを示している。ここで、このバルブタイミングは、（Ｖ_０）よりも大きい量（Ｖ_＋）の圧縮気体がシリンダーに入ることを許可する機能を果たす。より大きい容積の気体が膨張することによって、ピストンはより大きなエネルギーで下げられ、システムからより大きい量のエネルギーが出力されることになる。

能動的バルブ駆動によって膨張中のパワー出力を制御するのは、特に、グリッドに接続されていない単体のエネルギー貯蔵ユニットに関連性があり得る。このような制御によって、負荷および気体圧力が変化する中で、決まった頻度で電気出力を保守することが可能になる。「カットオフ」として知られる技術において、能動的バルブ制御は、これまで、蒸気圧および負荷が変動する蒸気機関を制御するために用いられてきた。特定の実施形態によれば、そのようなバルブ制御のためにシンプルなスピードセンサフィードバックを用いることが可能である。

吸入圧縮気体は低圧側よりも大きい圧力にまで膨張するので、効率を犠牲にすれば、より大きなパワー出力を膨張から得ることも可能であり得る。この場合、圧縮気体から最大量のエネルギーを抽出しないことによって、システム効率が低減し得る。また、膨張行程の終わりにおいて圧力差を生じることにより、システム効率が低減し得る。

膨張について上述したのと同様にして、能動的バルブ駆動は、気体圧縮サイクルの効率も向上し得る。例えば、図１４Ｇ〜Ｈに示すように、気体追加および圧縮の間、シリンダー装置１４２２と貯蔵ユニット１４２５（高圧側）との間のバルブ１４３８は閉じたままであり、シリンダー内で圧力が高まる。

従来の圧縮機装置において、蓄積された圧縮気体は、閾値圧に応答して機械的に開くように設計された逆止バルブによって、容器内に閉じこめられ得る。このように逆止バルブを駆動するために圧縮空気のエネルギーを使うと、仕事をするためにエネルギーを消費することによってエネルギー復元効率が損なわれる。

対照的に、図１４Ｉに示すように、本発明の実施形態は、例えば、シリンダー内で高まった圧力が高圧側の圧力に等しくまたは近くなるような所望の条件下で排出気体流バルブ１４３８を能動的に開けてもよい。このようにすれば、シリンダー内の圧縮空気からのエネルギーはバルブ開放工程によって消費されず、エネルギー復元効率が高まる。

圧縮サイクル中に気体吸入バルブを能動的制御することにより、圧縮気体の流量を増加させる機能を果たし得る。例えば、圧縮気体の供給量は少ないが、貯蔵エネルギーの見込み必要量が多い場合（例えば、予想されている猛暑日の前夜）、吸入バルブを開けるタイミングを遅らせて、それにより、最高効率で圧縮し得る気体を増やしてもよい。このような動作モードにより、圧縮気体の流量がより多くなり、予測される将来需要を満たすために、圧縮気体貯蔵ユニットをより速く再補充させることが可能になる。

圧縮により、圧縮行程完了時のチャンバーおよび高圧側間の圧力差はより大きくなるので、効率を犠牲にすれば、より大きな流量を得ることが可能である。圧縮工程の効率は、より高圧に圧縮されている気体の温度が上昇することによっても損なわれ得る。

能動的バルブ駆動スキームは、図１４Ａ〜１４Ｉを参照して説明する目的の１つ以上を達成する能動的バルブ駆動を容易にし得る。

図１４ＪＡ〜ＪＥは、実施形態における膨張モード中のバルブの開閉タイミングを示している。図１４ＪＡ〜ＪＥは、便宜上、シリンダーの端壁内にあるバルブを示しているが、バルブは、ピストンヘッドの上側最大範囲よりも近位側においてチャンバーのどこに配置されていてもよい。

図１４ＪＡにおいて、ピストン１４７４はシリンダー１４６２の上部に近づいており、前回のピストン行程中に膨張した気体は今は開いたバルブ１４７０を通して低圧側へと排気されている。図１４ＪＢに示すように、１つの手法によれば、バルブ１４７０は、ピストンがその膨張行程の最終地点に到達するまで開けたままにしておいて、これにより、膨張空気の全てを排気するようにしてもよい。

しかし、このようなタイミングでバルブ１４７０を駆動すると、システムからエネルギーを失うことになるかもしれない。図１４ＪＣに具体的に示すように、次の（下向きの）ピストン行程の開始時において、高圧側と連通しているバルブ１４７２が開き、高圧気体がチャンバー内に高速流入するであろう。このような高圧気体の高速流に関連付けられるエネルギーは、その後の膨張によって失われ、それにより、パワー出力が低減するであろう。

図１４ＥＤのバルブタイミングの別の手法によれば、ピストンヘッドがシリンダー上部に到達する前にバルブ１４７０を閉じることによって、このエネルギー損失を回避し得る。この構成において、シリンダー内の残存膨張気体１４７５は、ピストンが継続的に上向きに移動することによって圧縮されるであろう。この圧縮は、シリンダー上部内における圧力を高め、図１４ＪＥにおいてバルブ１４７２がその後開かれる際の圧力差を低減するであろう。このようにして、流入気体はより遅い速度で流れ、圧力差に関連付けられるエネルギー損失が低減されるであろう。

図１４ＪＤ〜１４ＪＥの手法も、バルブ駆動によって消費されるエネルギーを低減するであろう。開くためには、ソレノイド１４７２ｃは、高圧側が発揮する圧力に対抗してバルブ１４７２のプレートを動かさなければならない。しかし、バルブ１４７０を早く閉じることによってシリンダー内の背圧が上昇することによって、バルブ１４７２を開けている最中のこのバルブプレートの動きを助けるように、さらなる付勢がなされるであろう。

あるステージの圧縮比は、その圧縮ステージにおいて生じる温度変化の度合いを決定し得る。このような圧縮比の制御は、いくつかの可能な方法によって実現し得る。

ある手法では、Ｖ_{ｃｌｏｓｅｄ}を制御することによって圧縮比を決定することができる。例えば、Ｖ_{ｃｌｏｓｅｄ}は、圧縮のために気体をチャンバーに流入させることを許可するバルブの駆動タイミングによって制御し得る。

コントローラは、気体圧縮システムの様々な要素と電子通信状態にあってもよい。演算結果に基づいて、コントローラは、異なるステージで均一な温度変化が保たれるように、各システム要素の動作の命令を出してもよい。

例えば、特定の実施形態において、コントローラは、気体が圧縮チャンバー内に入ることを許可するバルブを駆動し得る。図１４ＫＡ〜ＫＣは、圧縮の場合における、このような吸入バルブ駆動の例を示している。具体的には、図ＫＡ〜ＫＢは、ピストン６３０６が圧縮前の行程にある圧縮ステージ６３００を示しており、そして、図６３Ｃは、圧縮行程の最初の部分を示している。

図１４ＫＡは、バルブ１４９２が閉じていて、ピストン１４８６が下向きに移動しており、バルブ１４８０が開いて気体流が圧縮されるためにチャンバー内に入ることを許可している状態を示している。図１４ＫＢにおいて、バルブ１４８０が閉じていて、ピストン１４８６がＢＤＣに到達する前に気体の吸入を止め、これにより、その後のピストンの行程において圧縮され得る気体の量をＶ_{ｃｌｏｓｅｄ}に制限する。図１４ＫＣは、その後の圧縮行程において、ピストン１４８６が上向きに移動して気体量Ｖ_{ｃｌｏｓｅｄ}を圧縮する様子を示している。

バルブ１４８０が閉じるタイミングを調整することにより、シリンダー内で圧縮される気体の量が決まる。具体的には、図１４ＫＢにおいて、ピストンがＢＤＣに到達する前にバルブ１４８０が閉じられ、シリンダー内で圧縮される気体の実効的容積が限定され、このステージの圧縮比（ｒ）も限定される。

吸入バルブ１４８０の駆動のタイミングは、コントローラまたはプロセッサによって調整され得る。従って、図１４ＫＡ〜ＫＣは、バルブ１４８０の駆動要素１４８１がコントローラ１４９６と電子通信状態にある状態を示している。そして、コントローラ１４９６は、バルブ１４１０の駆動を命令するためのコードを格納したコンピュータ可読記憶媒体１４９４と電子通信状態にある。

先に詳述したように、特定のバルブ実施形態は、特に、プロセッサおよび非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含むホストコンピュータに関連する実施例に適している。このようなプロセッサおよび非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、埋め込まれていてもよいし、および／または、外部の入力／出力装置を通して制御またはモニタリングされてもよい。

図１５は、情報を処理するプロセッサの簡略図である。この図は単なる一例であり、本願請求項の範囲を限定するものではない。当業者であれば、他の多くの変形例、改変例および代替例に気づくであろう。複数の実施形態は、ブラウザのような単一のアプリケーションプログラムとして実施されてもよいし、あるいは、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、または、クライアントサーバ関係におけるリモート端末のような分散コンピューティング環境における複数のプログラムとして実施されてもよい。

図１５は、表示装置１５２０、表示画面１５３０、キャビネット１５４０、キーボード１５５０およびマウス１５７０を含むコンピュータシステム１５１０を示している。マウス１５７０およびキーボード１５５０は代表的な「ユーザ入力装置」である。マウス１５７０は、グラフィカルユーザーインターフェース装置上のボタンを選択するためのボタン１５８０を含んでいる。ユーザ入力装置の他の例は、タッチスクリーン、ライトペン、トラックボール、データグローブ、マイク等である。図１５は、本発明を実施するシステムの１種類のみを代表するものである。本発明に関連して多くのシステムの種類および構成が好適に使用できることは、当業者には明らかである。実施形態において、コンピュータシステム１５１０は、マイクロソフト社のウィンドウズ^ＴＭＸＰ^ＴＭまたはウィンドウズ７^ＴＭオペレーティングシステムを搭載したペンティアム^ＴＭクラスを使用したコンピュータを含む。しかし、本装置は、他のオペレーティングシステム／アーキテクチャを使用していてもよい。

上記のように、マウス１５７０は、ボタン１５８０のような１つ以上のボタンを有する。キャビネット１５４０は、ディスクドライブ、プロセッサ、記憶装置等のような一般的なコンピュータ部品を収容する。記憶装置は、ディスクドライブ、磁気テープ、固体メモリ、バブルメモリ等を含むが、これらに限定はされない。キャビネット１５４０は、コンピュータシステム１５１０を以下に説明する外部装置、外部ストレージ、他のコンピュータまたはさらなる周辺機器に接続するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースカードのようなさらなるハードウェアを含んでいてもよい。

図１５Ａは、図１５のコンピュータシステム１５１０における基本サブシステムを例示したものである。この図は、単なる例示に過ぎず、本願請求項の範囲を限定するものではない。当業者であれば、他の変形例、改変例および代替例に気づくであろう。特定の実施形態において、サブシステムは、システムバス１５７５を介して相互接続されている。プリンタ１５７４、キーボード１５７８、固定ディスク１５７９、ディスプレーアダプタ１５８２に接続されたモニタ１５７６等のさらなるサブシステムを図示している。Ｉ／Ｏコントローラ１５７１に接続される周辺機器および入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置は、シリアルポート１５７７のような当該分野において公知の多数の手法によってコンピュータシステムに接続され得る。例えば、シリアルポート１５７７を用いて、コンピュータシステムを、インターネットのようなワイドエリアネットワークに接続するモデム１５８１、マウス入力装置またはスキャナに接続することができる。システムバスを介して相互接続することによって、セントラルプロセッサ１５７３は、サブシステム間の情報のやり取りだけでなく、各サブシステムと通信すること、および、システムメモリ１５７２または固定ディスク１５７９からの命令の実行を制御することが可能になる。サブシステムの他の構成および相互接続は、当業者であれば容易に可能である。システムメモリおよび固定ディスクはコンピュータプログラムを記憶する有形媒体の例であり、有形媒体の他の例には、フロッピーディスク、リムーバブルハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭおよびバーコードなどの光記憶媒体、および、フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）およびバッテリーバックアップメモリなどの半導体メモリが含まれる。

特定の実施形態によれば、能動的バルブ制御は、様々なパラメータに基づく制御ループの一部であってもよい。このような制御ループは、上記したように、ホストコンピュータによって実現してもよい。図１６は、制御ループ実施形態の簡略図を示している。

具体的には、能動的制御ループ１６００は、非一時的コンピュータ可読記憶媒体１６０７と通信状態にあるプロセッサ１６０５を備えた制御システム１６０４から受信する入力信号１６０３に基づいて制御されるバルブ部１６０２を備えている。このようなコンピュータ可読記憶媒体は、当該分野においては周知であるように、磁気式、光学式、半導体または他の原理に基づくものであり得る。

特定の実施形態によれば、制御システムからのそのような入力は、バルブを駆動する（ステッピングモータなどの）モータに供給される電圧を含んでいてもよい。特定の実施形態において、入力信号のタイミングおよび／または大きさをコントローラによって決定してもよい。

気体圧縮（エネルギー貯蔵）または気体膨張（エネルギー復元）は、検知可能なパラメータを含む１つ以上のパラメータ１６０６に従って行われ得る。検知パラメータの例は、バルブ部を通して排気される圧縮または膨張気体の温度、バルブ部を通して排気される圧縮または膨張気体の圧力、バルブ部を通る排気から分離した液体の温度、シャフト伝達パワー（クランクシャフトなど）の速度、および、シャフト伝達パワーのトルクを含むが、これらに限定はされない。

検知パラメータは、次に、制御システムに戻される。これらのパラメータおよび／または他の要因に基づいて、記憶媒体内にコンピュータコードとして記憶された関連する命令によって、プロセッサがバルブ部への入力を能動的に変化させてもよい。

例えば、気体膨張が行われた後にバルブ部を通して排気される気体が高圧であることを示す検知パラメータは、より低い効率で行われていることを示している可能性がある。従って、プロセッサは、膨張前に圧縮気体を取り込むためのバルブの開放時間を低減するようにバルブタイミングの変更を命令してもよい。そうすれば、ある決まったシリンダー容積内で膨張に利用できる気体の量が低減し、よって、最終的な出力圧力差が低減し、これによって効率が向上する。

別の例では、気体圧縮を行った後にバルブ部を通して排気される気体の温度が高いことを示す検知パラメータも、より低い効率で行われていることを示している可能性がある。従って、プロセッサは、圧縮前に気体を取り込むためのバルブの開放時間を低減するようにバルブタイミングの変更を命令してもよい。そうすれば、ある決まったシリンダー容積内で圧縮に利用できる気体の量が低減するが、圧縮工程の熱力学的効率が向上する。

また別の例では、膨張気体からのシャフト伝達パワーのトルクが高いことを示す検知パラメータも、より低い効率で行われていることを示している可能性がある。この検知データに基づいて、プロセッサは、膨張のために圧縮気体を取り込むためのバルブの開放時間を低減するようにバルブタイミングの変更を命令してもよい。そうすれば、膨張に利用できる気体の量が低減し、よって、出力パワーが低減する一方で、効率が向上する。

上述したように、パワー（膨張）出力または圧縮気体（圧縮）出力によって、システムの動作の効率のバランスをとってもよい。従って、本発明の実施形態による能動的バルブ制御は、上記の特定の例には限定されず、効率よりも出力を優先するために別の方法を用いてもよい。

また、特定の実施形態は、他の形態の所望の出力（温度制御など）を提供してもよい。従って、様々な実施形態において、効率対パワーのバランスをとりながら、それらの所望の出力を実現するための能動的バルブ制御手法に焦点を当て得る。

理想的な効率的動作は、一般に、バルブが開いていて、バルブに等しい圧力がかかっている時に起こる。実際のシステムにおいては、この理想状態から開放および閉鎖時間をずらすことによって、効率が改善し得る。

従って、吸入圧、チャンバー内圧および排出圧を含むがそれらに限定はされない検知量に基づいて、これらのパラメータを調節するために、様々な制御ループが採用され得る。さらに、シャフトのＲＰＭおよびトルク、および、上述の圧力および温度に関連する空気流量などの値から効率を推定することもできる。

特定の状況においては、目標は、効率を最大化することであり得る。しかし、他の状況においては、例えば、パワー出力を最大化する、所望のパワー出力に等しくなるようにする、または、これらの所望の組み合わせなど他の目標もあり得る。時刻、季節、天候、電気の価格決定モデル、および／または、特定のユーザーまたは消費者群のこれまでの需要パターンなどの要因を考慮し得るさらなる演算によって必要な出力パワーが出されてもよい。

図１６Ａは、プロセッサ／コントローラ、および、プロセッサコントローラが受け取る様々な入力、果たす機能、および生成する出力の関係を示す模式図である。示されているように、プロセッサは、１つ以上の入力に基づいて、装置の様々な動作特性を制御し得る。そのような入力の例として、出力シャフト角、カム位置、モータ電流、モータ電圧、線間電圧、ライン周波数、ライン高調波、リレーおよびサーキットブレーカ状態が含まれるが、これらに限定はされない。動作パラメータには、本明細書中に詳述した気体流バルブおよび液体流バルブの開閉タイミングが含まれるが、これらに限定はされない。

１つ以上のシステム要素から受け取った入力、および、それらの入力から算出された値に基づいて、コントローラ／プロセッサは、１つ以上の目的を達成するために、システムの動作を動的に制御し、この目的には以下のものが含まれるが、これらに限定はされない：貯蔵エネルギーを有用な仕事に変換する最大効率または制御された効率、最大化、最小化または制御されたパワー出力、予想されるパワー出力、ピストンと連通した回転シャフトの予想出力速度、ピストンと連通した回転シャフトの予想出力トルク、ピストンと連通した回転シャフトの予想入力速度、ピストンと連通した回転シャフトの予想入力トルク、ピストンと連通した回転シャフトの最大出力速度、ピストンと連通した回転シャフトの最大出力トルク、ピストンと連通した回転シャフトの最小出力速度、ピストンと連通した回転シャフトの最小出力トルク、ピストンと連通した回転シャフトの最大入力速度、ピストンと連通した回転シャフトの最大入力トルク、ピストンと連通した回転シャフトの最小入力速度、ピストンと連通した回転シャフトの最小入力トルク、または、各ステージにおける最大予想空気温度差。

上記では、プロセッサによって制御され得るパラメータの一例としてバルブタイミングを説明したが、他のものが制御されてもよい。その１つは、チャンバー内に導入される液体の量である。圧力、湿度、算出効率およびその他のような１つ以上の値に基づいて、圧縮または膨張中にチャンバー内に導入される液体の量は、動作の効率を維持するために注意深く制御され得る。例えば、膨張サイクル中に、Ｖ_０より大きい量の空気がチャンバー内に吸入された場合、この膨張空気の温度を所望の温度範囲内に維持するために追加の液体を導入する必要がある。

セントラルコントローラまたはプロセッサは、内部または外部の１つ以上の情報源と通信状態にあってもよい。内部情報源の例は、様々なシステムセンサを含む。外部情報源の例は、スマートグリッド、インターネットまたはＬＡＮを含むがこれらに限定はされない。

非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたコンピュータコードの形態の命令に基づいて、コントローラまたはプロセッサは、システムの様々な要素を制御するように動作し得る。この制御は、システム内の様々なセンサから受け取るデータ、そのデータから算出される値、および／または、その場に居るエンドユーザまたは外部ソースなどのソースからコントローラまたはプロセッサが受け取る情報に基づいていてもよい。

実施形態によれば、気体圧縮および／または膨張システムは、スマートグリッドなどの１つ以上の外部ソースから受け取るデータに応答して動作するように構成されていてもよい。外部情報に基づいて、プロセッサのコントローラまたはプロセッサは、各システム要素の動作を特定の方法で調整する。受け取る可能性があるそのような外部情報の例には、現在の電気価格、将来の予測電気価格、現在の電気需要状態、未来の電気需要状態、気象条件、混雑の存在や停電の可能性を含むパワーグリッドの状態に関する情報が含まれるが、これらに限定はされない。

特定の状況においては、受け取った情報に基づいてシステムの動作を停止してもよい。例えば、受け取った情報が高い電気需要を示している場合、グリッドに対する負荷を低減するために、空気を圧縮するシステム動作をコントローラによって停止してもよい。

あるいは、システムコントローラまたはプロセッサが受け取るエネルギーによって、システムの動作が開始されてもよい。例えば、実施形態のシステムは、工業プロセス（例えば、半導体製造施設）、交通ノード（例えば、港、空港または電化鉄道システム）、または、ヘルスケア（病院）、または、データストレージ（サーバーファーム）のような停電が有害な結果に繋がり得る特定の応用例において、連続的にエネルギーを供給するように構成された無停電電源装置（ＵＰＳ）の役割を果たしてもよい。従って、グリッドからのパワーがもうすぐ低下する（電圧低下）または無くなる（停電）こと、あるいは、そのような事象が起こるリスクを示す情報を受け取った時に、プロセッサまたはコントローラが、圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムに、必要なパワーを途切れずに供給するように動作するように指示してもよい。

特定の状況下において、コントローラまたはプロセッサに提供される情報は、例えば、圧縮モード、膨張モードまたは圧縮膨張併用モードなど、特定モードにおける圧縮気体貯蔵復元システムの動作を決定してもよい。特定の状況下において、コントローラが受け取る情報が割安なパワー価格を示した場合に、低コストでエネルギーを貯蔵するために、エネルギー貯蔵復元システムに圧縮モードで動作させてもよい。

また、圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムの動作は、典型的に、エネルギー貯蔵／復元効率と、一定期間で貯蔵／生成されるパワー量との間でバランスをとりながら行われる。例えば、特定の容積増分での圧縮気体の膨張に基づいて最大効率でパワーを生成するように装置を設計してもよい。他の容積増分での膨張では、より大きなパワー出力が得られるかもしれないが、効率が低減する。同様に、特定範囲を超えた増分で気体容積を圧縮すると、貯蔵用圧縮気体の形態にエネルギーを変換する際の効率が低下し得る。

特定の状況下において、本発明によるシステムの実施形態は、最適化効率条件下で動作してもよい。例えば、グリッドが一般的なパワー価格および／またはパワー需要を示している場合、コントローラは、最大効率で気体を圧縮または膨張するように動作するようにシステムの各部品に命令してもよい。

あるいは、グリッドまたはインターネットなどの他のソースから受け取った情報に基づいて、コントローラまたはプロセッサは、最大効率から外れた条件下で動作するようにシステムに命令してもよい。従って、スマートグリッドが比較的低い電気価格を示している場合（例えば、平日午前７時〜午後５時の需要ピーク時間外）、価格が低い間により大きなパワー量を消費してエネルギーを貯蔵するように計算された方法で気体圧縮を行うようにプロセッサまたはコントローラが命令をしてもよい。

特定の実施形態によれば、エネルギー貯蔵復元システムの動作に関連する情報は、外部ソースから継続的に利用可能であってもよい。そのような状況において、非一時的コンピュータ可読記憶媒体中にあるコードは、外部ソースを積極的にモニタリングして、それにより、情報の可用性または情報の変更を検出し、その後、システムの各要素がそれに合わせて動作するように、システムプロセッサまたはコントローラに命令してもよい。

いくつかの実施形態において、関連性のある情報は、外部ソースからエネルギー貯蔵復元システムのコントローラへと積極的に通信されてもよい。そのような積極的な通信が行われる１つの事例は、統治者の管理下で行われる場合である。

そのような積極的な通信が行われるもう１つの事例は、需要応答システムの要求である。具体的には、特定の実施形態において、貯蔵システムのプロセッサまたはコントローラは、需要応答システムの一部としてピーク時の需要を低減するように積極的な要求をパワーグリッド事業者から受け取る場合がある。従って、コントローラまたはプロセッサは、そのような需要応答システムの一部として、エンドユーザの低減されたグリッド上の負荷を補償するために十分なパワーを出力するように、システムの動作を命令し得る。

受け取った情報が比較的安い電気価格を示している場合（夜間など）、価格が低い間により大きなパワー量を消費する（例えば、大きな容積増分で気体を圧縮する）ように計算された方法で気体圧縮を行うようにプロセッサまたはコントローラが命令をしてもよい。この場合、そのような圧縮の非効率性に関連付けられる余分なコストは、圧縮を行うために利用可能なエネルギーコストが低いことによって相殺され得る。

現在需要以外の要因が、エネルギー売買条件に影響を与え得る。例えば、コントローラまたはプロセッサは、装置の動作の条件を決める際に、未来のパワー需要または未来の価格を考慮してもよい。

従って、未来のエネルギー価格が特に高くなると予測されている特定の状況下において、コントローラまたはプロセッサは、システムを特定の方法で動作させ得る。この１つの例は猛暑日であってもよく、この場合、気象予報に基づいて需要が急増することが予想される。このような予想を鑑みて、コントローラまたはプロセッサは、例えば、予想される需要の急増に先立って、低い効率となるかもしれないが、追加的な気体を圧縮するように動作させることによって未来の条件に備えるようにシステムに命令し得る。

システム動作に潜在的に影響を与える他の要因として、パワーネットワーク事業者とシステム所有者との間の特定の契約条項が含まれる。このような条項には、特定の時間枠において要求される最大負荷（および／または分散型発電スキームにおける最小パワー出力）、および、パワー出力またはパワー消費に関する漸増的または段階的なボーナス、ペナルティ、および、乗数が含まれる。これらの契約条項の遵守または逸脱は、コントローラまたはプロセッサによってエネルギー貯蔵復元システムの動作を決定する際に重要な要因となり得る。

従って、特定の実施形態において、コントローラまたはプロセッサは、装置の動作において、そのような契約条項を考慮に入れ得る。例えば、エンドユーザとグリッド事業者との間の契約によって、特定の時間枠においてネットワークからユーザが引き出し得る最大負荷が定められている場合がある。従って、このベースライン量を超過しそうになっている場合、コントローラまたはプロセッサは、契約上の義務が必ず満たされるように、より大きなパワー出力およびより低い効率の条件下でシステムを動作させるように命令し得る。

システム動作に潜在的に影響を与えるもう１つのタイプの情報は、パワーグリッドに対するエネルギー源の予想可用性である。例えば、受け取った情報が、ネットワークにエネルギーを供給することが分かっているソーラーエネルギーファームの場所でこれから曇りとなる予報を示している場合、装置のプロセッサまたはコントローラは、予想される今後のより高いエネルギー価格に先立って、大量の圧縮気体を貯蔵するように低効率で圧縮動作するように命令し得る。

システムコントローラまたはプロセッサが考慮に入れ得るまた別のタイプの情報は、他のパワー源の潜在的な可用性である。例えば、システムが、複数のソース（例えば、タービン、再生可能エネルギー資源）から異なる形態でエネルギーを受け取るように構成されていてもよい。具体的には、システムは、グリッド自体から直接的に、または、屋根上の太陽電池などのローカルのエネルギー源を運転することにより、電力の形態でエネルギーを受け取ることができる。システムは、例えば、近隣にある風力タービンまたはタービンなどのローカルのソースから（機械的、油圧または空気圧などの）物理的形態でエネルギーを受け取ることができる。システムは、例えば、熱ソーラー装置などのローカルのソースから熱的形態でエネルギーを受け取ることができる。

従って、好ましい風条件に関する情報をローカルの発電機から受け取った場合、パワーが風力タービンから直接的に容易に可用であるので、コントローラまたはプロセッサは、圧縮動作をして圧縮気体を貯蔵するようにシステムに命令してもよい。風が弱まった時、膨張モードで動作して、パワーをエンドユーザに直接出力、ネットワークを通してグリッドに出力、あるいは、両方に出力することにより、この圧縮気体に貯蔵されたエネルギーを後から復元することができる。好ましいソーラー条件によるエネルギーが気体を圧縮するためのエネルギーを提供する場合も同様の状況が存在し得る。

特定の状況下において、好ましいソーラー条件の場合にシステムを膨張動作させてもよい。例えば、好ましいソーラー条件は、熱ソーラー装置から熱を伝達することを可能にし、これにより、膨張気体からのパワー出力を高める、あるいは、膨張気体からのエネルギー復元効率を高めることが可能である。

特定の実施形態において、ローカルのエネルギー源は、燃焼タービンまたはモータなど非再生可能なものであってもよい。従って、前の膨張動作によって貯蔵ユニット内の圧縮気体の供給が消尽し、それでもパワーが要求されている場合、コントローラは、グリッド以外のエネルギー源（即ち、天然ガス配給ネットワーク）からのパワーを消費するローカルのタービンまたはモータの動作によってパワーを創出するように発電機に命令し得る。

エネルギー貯蔵システムのコントローラまたはプロセッサが利用可能なまた別のタイプの情報は、パワーグリッド上の混雑プロファイルを含む。従って、受け取った情報が、グリッドの特定のローカル地域を通してパワーを送電することが困難である（あるいは、未来に困難が予想される）ことを示している場合、プロセッサまたはコントローラはそれに応じてシステムの動作を命令し得る。

例えば、グリッド混雑情報の予想期間に先だって、コントローラまたはプロセッサは、特定のグリッドノードを通って送られてきたエネルギーを貯蔵するようにシステムを構成し得る。後に、システムに膨張モードで動作するように命令して、これにより、同ノードの混雑していない側にこのパワーを出力し、それにより、需要を満たすことができる。

システムコントローラまたはプロセッサが受け取る情報はいくつかの形態をとり得る。いくつかの実施形態において、コントローラは、例えば、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）が開発しているスマートグリッド相互運用性規格（Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）に準拠して、パワーグリッドから直接情報を受け取り得る。本明細書中に以下の文献をあらゆる目的のために援用する：２０１０年１月付け「ＮＩＳＴ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ， Ｒｅｌｅａｓｅ １．０＊」、および、「ＳｍａｒｔＧｒｉｄ： Ｅｎａｂｌｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｃｏｎｏｍｙ」電気諮問委員会（２００８年１２月）。このようなスマートグリッド上で利用可能になることが予想される情報には、現在のパワー価格、予想される未来のパワー価格、これまでの消費のピークを含む計量された消費パワーまたはパワーグリッドに対する出力の読み取り値、グリッドの混雑、グリッドの電圧低下またはグリッドの停電の指標が含まれるが、これらに限定はされない。

コントローラまたはプロセッサは、スマートパワーグリッド上から直接利用可能なもの以外の情報に基づいてシステムを構成してもよい。例えば、いくつかの実施形態によれば、コントローラは、システムの動作に影響を与え得る他のタイプの情報をインターネット上から受け取ってもよく、この情報は、天気予報、または、パワーの長期価格予想あるいは発電に用いられる石炭やオイルなどの商品の長期価格予想を含むが、これらに限定はされない。このような情報に基づいて、コントローラまたはプロセッサは、システムの動作または非動作、システムの動作モード、および／または、効率と所与の時間枠において消費または出力されるパワーとのバランスも制御できる。

もう１つの可能な情報源は、ある特定のユーザのパワーグリッドからの現行電気消費量およびこれまでの電気消費量を示すメーターである。例えば、特定の実施形態において、圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムは、工業団地のような大量パワー消費者であるエンドユーザの場所に設けられていてもよい。その場所の電気メーターから受け取った情報に基づいて、コントローラまたはプロセッサは、特定の方法で動作するようにシステムを構成し得る。そのような情報の一例は、そのエンドユーザのこれまでのピーク負荷データである。

あるエンドユーザの予想パワー需要は、エネルギー貯蔵復元システムを制御する根拠として用いることができる情報の別の例である。例えば、ある産業施設が生産能力を上げてまたは下げて稼動する予定である場合、その情報を用いてシステム動作を決定することができる。

外部ソースからの情報に加えて、コントローラまたはプロセッサはシステムの内部の情報も受け取る。そのような内部情報は、システム内の物理的パラメータを計るように構成されたセンサからのデータを含んでいてもよく、この情報には、バルブ状態、温度、圧力、容積、湿度、液体および気体の流量、および、ファン、ポンプ、ピストンおよびピストンに連通しているシャフトなどのシステム内の可動要素の速度およびトルクが含まれるが、これらに限定はされない。コントローラまたはプロセッサに提供され得る内部情報のその他の例には、ポンプまたはファンなどのモータの動作により引き出されるパワーが含まれるが、これらに限定はされない。

最も広義には、コントローラまたはプロセッサは、システム要素の機能を調整することによって、システムが少しでも動作するのかどうかを決定することができる。そのような要素の一例は、圧縮気体貯蔵ユニットと圧縮機／膨張機との間のバルブ部である。このバルブを閉じると、システムを圧縮モードで動作させて気体を貯蔵ユニット内に流すことができなくなるであろう。このバルブを閉じると、システムを膨張モードで動作させて気体を貯蔵ユニットから流出させてエネルギーを復元することもできなくなるであろう。従って、貯蔵容器内の圧力が、圧縮気体がほぼ枯渇していることを示している場合、コントローラまたはプロセッサは、経済的に望ましい条件下で気体供給を再補充できるような条件になるまで、システムの動作を停止してもよい。

システムが動作している時に、コントローラまたはプロセッサはシステム要素を調整することにより、動作モードを決定してもよい。この種のシステム要素の一例は、三方弁のようなバルブである。そのようなバルブの状態をコントローラによって調整することによって、ある特定の動作モードに対応する方法でシステム内の液体または気体の流れを制御することが可能である。従って、貯蔵容器内の圧力が、圧縮気体がほぼ枯渇していることを示している場合、コントローラまたはプロセッサは、圧縮モードで動作するようにシステムに命令して、気体供給を再補充してもよい。

実施形態による圧縮気体エネルギーシステムをパワーネットワークの発電層に組み込むことによって、本来変動的である再生可能エネルギー源の出力を平準化することが可能である。例えば、風力タービンの出力は、吹いている風の量に関連付けられる。風速は比較的短い時間で上下し得るので、パワー出力もこれに対応して上下する。同様に、ソーラーエネルギー取得装置の出力は、利用可能な太陽光量に関連付けられ、太陽光量は雲量などの要因に応じて比較的短時間で変化する。

しかし、従来、パワーネットワークは、時間経過に対して実質的に一定で且つ制御可能である出力を呈する化石燃料発電所のようなエネルギー源に頼ってきた。この再生可能エネルギー源とパワーネットワークが伝統的に頼ってきたエネルギー源との間の差異は、本来断続的および／または変動的であるソーラーまたは風力のような再生可能エネルギー源を採用する際の障壁となり得る。

従って、本発明の圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムの実施形態を再生可能エネルギー源と組み合わせて、パワーネットワークへの出力を平準化することが可能である。図１６Ｂは、そのような平準化機能の簡略図を示している。

例えば、図１６Ｂに示す期間Ａにおいて、圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムは、再生可能代替エネルギー資源の変動的な出力と固定値Ｚとの差異を補うのに十分な出力を提供している。この固定値は、例えば、発電資産の所有者とネットワーク事業者との間の契約条項に基づいて決定することができる。

また、図１６Ｂの時点Ｂから始まる期間において、例えば、完全に風が止んだこと、または、暴風雨前線の接近によって、再生可能発電資産が提供するエネルギーが急激に減少している。このような状況下において、圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムを、別の発電資産をランプアップして長期間にわたって代替エネルギーでカバーできるようになるまで、Ｂに続く期間にわたって、エネルギーを供給するように構成してもよい。

特定の実施形態において、圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムを、代替発電資産にメッセージを送信してランプアップ処理を開始するように構成してもよい。圧縮気体エネルギー貯蔵復元システムが代替発電資産と物理的に同じ場所に無い場合、このようなメッセージをインターネットまたはスマートグリッドのようなワイドエリアネットワークによって運んでもよい。

パワーグリッドの実施形態によるシステムの実施形態の動作は、セントラルプロセッサが、入力を受け取って制御アルゴリズムに基づいて出力を生成することによって、統合制御することができる。以下、そのような動作の一例を図１６Ｃ〜１６ＣＡに関連して説明する。

図１６Ｃは、パワー供給ネットワークの様々な要素のパワー出力を時間に対してグラフにしたものである。第１の要素は、その出力が自然の力に応じて変動的である再生可能エネルギー源（風力発電所など）である。第２の要素は、実施形態によるシステムである。

そのパワー出力を図１６Ｃに示す３番目の要素は短期発電資産である。このような短期発電資産は、低効率および／または比較的高コストであるかわりに、急な通知でもパワーを提供するように構成され得る。そのような短期発電資産の一例は、ディーゼル発電機、または、別のエネルギー貯蔵装置である。

そのパワー出力を図１６Ｃに示す第４の要素は、より長期の発電資産である。このようなより長期の発電資産は、より前もって通知することが求められるかわりに、比較的低コストで効率的にパワーを提供するように構成され得る。そのようなより長期の発電資産の一例は、天然ガスタービンである。

利用可能な資源を効率的に利用しながらネットワーク上の安定したパワー供給を維持するために、これらの様々な要素の動作はセントラルプロセッサが統合制御してもよい。図１６Ａは、パワー供給ネットワークおよびエネルギー貯蔵装置と電子通信状態にあるプロセッサ１６５２を備えたシステム１６５０の一例の簡略図を示しており、このシステムは、プロセッサと電子通信状態にある非一時的コンピュータ可読記憶媒体１６５４をさらに備え、非一時的コンピュータ可読記憶媒体１６５４に記憶されたコードによって、プロセッサが、
−予想されるパワー供給ネットワーク負荷の変化、または、パワー供給ネットワークにとって利用可能な発電容量の変化に関連する入力１６５６を受け取り、
−制御アルゴリズムに従って前記入力を処理し、
−自動的にエネルギー貯蔵装置に電力を出力するように動作させる、あるいは、エネルギー貯蔵装置が電力を出力するように動作させるように命令するように操作員に推奨する第１の信号１６５８を発信し、
−パワー供給ネットワークの発電資産を自動的にランプアップさせる、あるいは、パワー供給ネットワークの発電資産がランプアップするように命令するように操作員に推奨する第２の信号１６１０を発信する、ように構成されている。

特定の実施形態によれば、前記入力は、例えば需要応答コマンドなどの、パワー供給ネットワークから生じたものであってもよい。いくつかの実施形態においては、前記入力は、例えば、消費量が過去最高値に近づいているあるいは過去最高値を超過しようとしていることを示すメーターから生じたものであってもよい。

特定の実施形態において、前記入力は、パワー供給ネットワークの再生可能発電資産における風力またはソーラーエネルギーの予想される変化であってもよい。前記入力は、変化した負荷を表す環境温度変化を含んでいてもよいし、パワー供給ネットワークの乱れを予測させる天候の乱れを含んでいてもよい。

特定の実施形態において、エネルギー貯蔵装置は、パワー供給ネットワークのメーターの後ろに位置する消費者に対して直接電力を出力するように構成されていてもよい。特定の実施形態によれば、エネルギー貯蔵装置は、パワー供給ネットワーク上に、例えば、変圧器を通して配電または送電層に、または、バスバーを通して発電層に電力を出力するように構成されていてもよい。

特定の実施形態において、エネルギー貯蔵システムは、電気的形態で、例えば、バッテリーまたはコンデンサーバンクで、エネルギーを貯蔵し得る。いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵装置は、クランクシャフトなどの物理的リンク装置を駆動するための液体の存在下で圧縮気体を膨張することによって電力を発生するように構成されている。特定の実施形態では、回転運動を伴って噴霧して、その後、偏向面に衝突させることによって液体を導入してもよい。

いくつかの実施形態によれば、非一時的コンピュータ可読記憶媒体はさらにコードを記憶しており、このコードによってプロセッサは、発電資産のランプアップが完了したことを示す信号１６１４に応答して、エネルギー貯蔵装置の動作を自動的に停止する、または、エネルギー貯蔵装置の動作を停止することを命令するように操作員に推奨する信号１６１２を発信する。

特定の実施形態によるシステムは、さらにコードを記憶した非一時的コンピュータ可読記憶媒体を有していてもよく、このコードによって、エネルギー貯蔵装置の再補充を自動的に行う、または、エネルギー貯蔵装置の再補充を命令するように操作員に推奨する信号１６１６を発信する。

図１６Ｃに示す具体例に戻って、時間間隔Ａにおいて、再生可能エネルギー源は、予想範囲Ｒ内で変動するパワー出力を提供する。この同じ間間隔Ａにおいて、実施形態によるシステムは、この変動的パワー出力を補うのに十分なパワーを供給し、これにより、パワーをレベルＺに維持する。ここで、Ｚは、グリッド上の総パワー、または、その総パワーの一部（例えば、契約で定められた風力発電所が提供するパワー枠）を表していてもよい。従って、期間Ａにおいては、短期発電資産も長期発電資産も使用する必要がない。

時刻Ｂにおいて、セントラルプロセッサは、再生可能発電資産からの長期的パワー損失を示す情報を受け取る。例えば、再生可能発電資産は、実質的に無風になるこれまでの傾向に一致する風速変化パターンを示す情報を発信してもよい。このようなこれまでの傾向は、季節、時刻、風力タービンの具体的な地理的位置、および、現在および将来の気象活動の気象学モデルなどの他の要因によっても影響を受け得る。１つの可能な予測的風モデルのソースは、ニューヨーク州オールバニーのＴｒｕｅ Ｗｉｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＬＬＣである。

従って、時刻Ｂにおいて、プロセッサは短期発電資産に信号を送り、再生可能発電資産に代えてパワー供給を開始するようにランプアップを命令する。そのようなランプアップは瞬間的ではないので、プロセッサは、短期発電資産のランプアップ期間をカバーするために、出力を維持または増加する予定でいるように圧縮気体貯蔵システムに対して通知も行う。

予想通り、時刻Ｃにおいて、風速が、風力タービンからの発電が全く無くなる閾値Ｔを下回る。この時点Ｃにおいて、圧縮気体エネルギー貯蔵システムは全負荷Ｚを負う。

本発明の実施形態によるシステムがパワーを供給する能力は、その発電機の大きさ、その貯蔵容量の大きさ、および、その現存貯蔵容量の現状を含む１つ以上の要因によって最終的に制限され得る。さらに、システムは、長期発電資産で可能なコストよりも高いコストでパワーを供給する場合がある。これらの情報は、プロセッサへの入力として入手可能である。これに対して、時刻Ｃにおいて、セントラルプロセッサは、より長期間にわたって負荷を満たすために、より長期の発電資産に対して稼動準備をするように通知を行う。

時刻Ｄにおいて、短期発電資産はウォームアップを完了して稼動状態となり、急速に発電を開始して時刻Ｅまでに最大需要を満たす。期間Ｄ〜Ｅにおいて、圧縮気体貯蔵システムは、これに対応して出力をランプダウンする。

時刻Ｆまでに、延期された長期発電資産のランプアップ期間に到達し、当該資産も稼動状態となり、負荷を満たすように供給パワーを増大し始める。期間Ｆ〜Ｇにおいて、短期発電資産は、これに対応して出力をランプダウンする。

図１６Ｃの（グリッドが主に再生可能エネルギー源からパワーを受け取っている状態から、グリッドがより長期の発電資産からパワーを受け取っている状態への）遷移は、様々なソースから受け取った情報に基づいてセントラルプロセッサが統合制御するものである。この遷移は、ネットワーク上のパワーの安定を損なうことなく、利用可能な資源によって所望の効率で達成される。

図１６Ｃに示す特定の遷移は、ごく簡略化したケースを表している。例えば、任意の所与の時刻において、異なるタイプ（即ち、変動（再生可能）、ベースライン、ピーク、負荷追随）の複数の発電資産が需要を満たすべくパワーを与えているであろう。また、ネットワークの異なる地点において複数の貯蔵装置が配備され、任意の所与の時刻において複数の貯蔵装置を用いて需要を満たすであろう。

図１６Ｃに示す特定のシナリオは、需要を満たすために資源を始動することしか示しておらず、これもまた簡略化されたものである。これらの事象の変形例においては、風速が予期せぬほど再上昇して、安定供給が継続することが示され得る。そのようなシナリオの場合、この新たに受け取った情報に基づいて、プロセッサは、可能になった再生可能エネルギーの安定供給を考慮して、発電資産のランプアップまたは他の工程の中止を命令／推奨し得る。

図１６Ｃに示すシナリオは、全体的な負荷が変化しないものとして示されている点で、簡略化されたものである。現実には、グリッドにかかる負荷の経時変化は、予測可能な変化（例えば、日々のパターン、定期保守）と、予測不可能な変化（暴風雨被害、計画外保守）の両方がある。そのように変化する条件（変化する入力）に対してプロセッサが迅速に対応できることにより、意思決定プロセスにおいて操作員が助けられ得る。

図１６Ｃのシナリオは、特定の一連の事象（１つの再生可能資源から利用可能な発電容量を失う）しか示していない点で、簡略化されたものである。限定はされないが以下を含む複数の要因に影響を受けて、無論、多数の他の事象が起こり得る。
●気象パターン、
●需要パターン、
●エネルギー価格体系／契約、
●送電および／または配電資産の可用性、
●他の相互接続されたパワーグリッドの条件。

無論、実施形態は、再生可能エネルギー源または特定のエネルギー貯蔵システムにおける利用に限定されない。むしろ、様々な実施形態は、セントラルプロセッサを採用して、それにより、種々のタイプのエネルギー貯蔵（圧縮気体はその一例に過ぎない）を用いた動作を統合制御するように、パワー供給ネットワークの様々な資産を制御（あるいは人間のユーザに制御決定を推奨）し得る。従って、他の実施形態によれば、セントラルプロセッサは、制御アルゴリズムを実行して、これにより、バッテリーを備えた貯蔵システムをグリッドの非再生可能発電資産と統合し、それにより、例えば、変化する需要を満たすことが可能である。圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、バッテリー、コンデンサー、または、他のエネルギー貯蔵技術と組み合わせることにより、長期貯蔵サイズおよびコスト目標だけでなく、短期需要を満たすことが可能である。

セントラルプロセッサが実行するこのような制御アルゴリズムに対する入力は、以下を含むが、これらに限定はされない。
●現行負荷／予想される未来の負荷、
●発電資産からのパワーの価格、
●発電資産のランプアップ時間、
●利用可能な貯蔵容量、
●貯蔵充電要件、
●発電資産の状態（即ち、回転中、準備中）、
●パワーの市場（卸売、付帯サービス）価格、
●再生可能パワー源の状態（即ち、現状／未来の気象条件）、
●送電容量。

制御アルゴリズムに対する入力に基づいて行われるあるいは操作員に推奨される決定事項の例は、以下を含むが、これらに限定はされない。
●発電資産の始動／停止、
●貯蔵装置の放電／充電、
●送電／配電経路の切り替え、および、
●卸売または付帯サービス市場からのパワーの購入、
●需要の低減／移行。

需要の低減／移行に関連して、エネルギー貯蔵装置は、バスバーまたは変圧器を通してネットワーク上に電気を実際に出力することなく、この機能を果たし得る。具体的には、エンドユーザと共にメーターの後ろに配置されたエネルギー貯蔵装置は、そのエンドユーザに対して直接的に（電気または他の形態で）パワーを出力し得る。貯蔵装置からのそのようなパワー出力は、グリッドから消費者が引き出す電気に実効的に取って代わり、それにより、パワー供給ネットワーク上の負荷を低減するものである。

本明細書中に説明されているように、実施形態においてエネルギーシステムの一部として動作する圧縮機および／または膨張機は、圧縮のためにチャンバーに導入された気体の量、または、膨張のためにチャンバーに入れられた圧縮気体の量に少なくとも基づいて絞ることが可能であり得る。従って、図１６Ｄに示すように、負荷を満たすためにベースラインパワーを供給するように複合サイクル発電資産を最大効率で稼動させて、圧縮気体エネルギー貯蔵システムの可逆圧縮機／膨張機は、需要変動による負荷の変化に対応するのに十分な追加的パワーを供給するように絞り度合いを上下させてもよい。

負荷が本当に実際にベースライン負荷よりも低くなった時（例えば、Ｔ'＞時間＞Ｔ）、複合サイクル発電資産による余剰パワー出力を、その後の膨張のために圧縮気体を貯蔵するように圧縮機を動作させるために利用してもよい。ここでも、エネルギー貯蔵システムを絞ることが可能であることにより、複合サイクル発電所がベースラインパワー出力を維持し続ける一方で、この圧縮を行うことが可能になる。

コントローラまたはプロセッサはシステム要素を調整することにより、特定の動作モードにおける動作方法を決定し得る。例えば、圧縮機／膨張機の動作効率は、圧縮または膨張させられる気体の容積増分に依存し得る。

コントローラによる各システム要素の動作の調整は、出力電力または効率に加えてまたはその代わりになされる考察に基づいてなされ得る。例えば、いくつかの応用例において、システムは温度制御の役割を果たし、加熱または冷却容量としての提供可能量を提供し得る。そのような状況下において、コントローラは、温度制御に用いられ得るシステムから出力される気体および／または液体の最終温度を決定するために、１つ以上のステージにおける液体の注入または非導入、１つ以上のステージにおける液体導入の条件、１つ以上のステージの圧縮または膨張比、および、その他のパラメータなどのシステム動作パラメータを制御し得る。

コストは、このようなシステム動作に関する考察の別の一例である。例えば、条件的には圧縮が適切であるが、パワーグリッドから利用可能なエネルギーの価格が比較的高い場合、コントローラによってバルブを駆動してより小さな容積増分で気体を圧縮することをコントローラが決めてもよい。別の例においては、条件的には膨張が適切であるが、パワーグリッドから供給されるエネルギーの価格が比較的低い場合、コントローラによってバルブを動作させてより小さな容積増分で気体を膨張させることをコントローラが決めてもよい。

圧縮気体を貯蔵するための利用可能な容量は、システム動作において考慮され得るもう１つの要因である。例えば、貯蔵ユニットが容量一杯になりそうな場合、より小さな容積増分で圧縮を行うようにバルブタイミングを調整してもよい。他の状況下では、貯蔵ユニットが枯渇しそうになっている場合、より小さな容積増分で膨張を行うようにバルブタイミングを調整してもよい。

コントローラにより各システム要素を動作させる際にもう１つ可能な考察は、マルチステージ装置における個々のステージ間の動作を統合制御することである。従って、複数のステージを備えた実施形態において、コントローラは、それらのステージを効果的に統合制御するように、特定の各システム要素を動作させ得る。

１つの例は、圧縮／膨張チャンバーの吸入または排出バルブの駆動タイミングであり、この駆動タイミングは、複数のステージにわたって効果的に動作がなされるようにコントローラによって調整され得る。ステージ間にわたって液体を流すためのバルブの駆動タイミングも、システムコントローラによって調整され得る動作パラメータの別の一例である。

また、いくつかの実施形態において、特定のシステムの個々のステージは仲介構造を介して互いに流体連通していてもよく、この仲介構造は、圧力セル、熱交換器、バルブネットワーク、気体容器、気体／液体分離器、および／または、液槽を含むがこれらに限定はされない。このような実施形態において、システム動作を統合制御するために、このような仲介構造に対する材料の流入および／または流出を管理する要素はシステムコントローラによって調整され得る。いくつかの場合、様々なステージ間でバルブにかかる圧力差を最小化するように、これらのステージにおいて周期運動をする部材の相対位相を制御することが有利であり得る。

特定の実施形態において、より暖かい大気と、膨張チャンバー（または、膨張チャンバーと熱的連通している熱交換器）との間で熱エネルギーが移動すると、結露により液体の水が形成され得る。このような液体の水は、特定の用途（例えば、飲用または灌漑）のために利用可能にすることができ、よって、これにより、システムが提供し得るまた別のタイプの材料が提供される。システム実施形態から派生するエネルギーを利用して行われる脱塩からも液体の水が利用可能であり得る。

従って、特定の実施形態において、プロセッサまたはコントローラは、システムによって提供される液体の水の量に基づいてシステム動作を調整するように構成され得る。他の形態の提供物の例には、電力、圧縮気体流、二酸化炭素、冷却能力および加熱能力が含まれるが、これらに限定はされない。

様々な実施形態によるバルブは、気体膨張および／または圧縮チャンバーに対する吸入バルブとしておよび／または排出バルブとして機能し得る。同じチャンバーが気体の圧縮および膨張の両方の機能を果たす場合、バルブは、双方向動作をするように構成され得る。

特定の実施形態において、バルブは、上流混合チャンバー内で生成された気体液体混合物の流れを許可するように構成されていてもよい。このような構成において、バルブ設計の実施形態は、流れる気体液体混合物に対して、遮られていない真っ直ぐな流路を提供するのが望ましい。これにより、含まれる液滴同士が合体し難くなり、流路が、チャンバー内の圧縮／膨張気体と望ましい熱交換を行うことが可能になる。

図１３に示す特定のシステムは、たった１つの可能な実施形態を表しているだけであり、複数の代替例が可能である。例えば、図１３は、同じシリンダー内で圧縮と膨張が起こり、可動要素がリンク装置を通してモータ／発電機に連通している実施形態を示しているが、これは必須ではない。

図１７Ａは、特定の動作モードにおいて、それぞれ圧縮および膨張専用とし得る２つのシリンダーを用いた代替実施形態を示している。膨張および圧縮にそのような別々のシリンダーを採用した実施形態は、モータ、発電機またはモータ／発電機と共に、共通リンク装置（ここでは、クランクシャフトの形態の機械的リンク装置）を採用してもよいし、しなくてもよい。

例えば、図１７ＢＡは、図１７Ａの装置の４つの異なる基本構成を示す表である。図１７ＢＡの表は、異なる構成における、各システム要素と、様々な熱ノード１７２５、１７２８、１７３０、１７３２、１７３４、１７３６および１７４０との間の相互作用をさらに示している。このような熱ノードは、当該表により詳しく示しているように、１つ以上の外部熱源または１つ以上の外部ヒートシンクを備えていてもよい。このような可能な外部熱源の例には、熱ソーラー構成、地熱現象、および、隣接した場所で行われている発熱工業プロセスが含まれるが、これらに限定はされない。このような可能な外部ヒートシンクの例には、環境（具体的には、高地および／または高緯度）、および、地熱現象（雪または水中の温度勾配など）が含まれるが、これらに限定はされない。

図１７ＢＢ〜１７ＢＥは、図１７ＢＡに列挙されている様々な基本的動作モードを示す簡略図である。図１７ＢＡに示す４つの異なる基本動作モードは、断続的に切り替えたり、および／または、組み合わせることによって所望の結果を達成する。図１７ＢＦ〜ＢＧは、基本的動作モードの組み合わせを含む動作モードを示している。

図１７Ａ〜ＢＧの実施形態がもたらす可能な利点の１つは、オンデマンドで冷却または加熱できることである。具体的には、膨張または圧縮気体、あるいは、そのような膨張または圧縮気体と熱を交換する注入された液体に生じる温度変化は、温度制御の目的で使用できる。例えば、膨張によって冷却された気体または液体は、ＨＶＡＣシステムにおいて利用できる。逆に、圧縮気体、あるいは、圧縮気体と熱を交換する液体に生じる温度上昇は、加熱用に使用できる。

気体の圧縮または膨張のために別々の専用シリンダーを設けることによって、図１７Ａの実施形態は、先に貯蔵した圧縮気体を利用することなく、このような温度制御をオンデマンドで提供することができる。具体的には、図１７Ａの実施形態は、専用圧縮機によって圧縮された気体が直後に膨張することによる冷却を可能にする。

図１３および１７Ａは、固体単動ピストンの運動を利用した実施形態を示しているが、これは必須ではない。他の実施形態では、他の形態の可動要素を用いることができる。そのような可動要素の例には、複動固体ピストン、液体ピストン、柔軟なダイアフラム、ネジ、タービン、準タービン、マルチローブブロワー、ジェロータ、ベーン圧縮機、スクロール圧縮機、および、遠心／軸流圧縮機が含まれるが、これらに限定はされない。

また、実施形態は、機械的リンク装置以外のものを通して、モータ、発電機またはモータ／発電機と連通してもよい。使用可能な別のリンク装置の例には、油圧／空気圧リンク装置、磁気リンク装置、電気リンク装置、電磁リンク装置が含まれるが、これらに限定はされない。

図１３および１７Ａの特定の実施形態は、クランクシャフトの形態の機械的リンク装置を通してモータ発電機と連通している固体ピストンを示しているが、これは必須ではない。他の実施形態では、他の形態の機械的リンク装置を用いてもよく、これには、マルチノードギアシステム（遊星ギアシステムを含む）などのギアを含むが、これらに限定はされない。使用できる機械的リンク装置の例には、クランクシャフトなどのシャフト、ギア、チェーン、ベルト、ドライバー−フォロワリンク装置、枢動リンク装置、ポースリエ−リプキンリンク装置、Ｓａｒｒｕｓリンク装置、ラッセルリンク装置、チェビシェフリンク装置、ホーキンスリンク装置、斜板式または揺動板式リンク装置、斜軸リンク装置、ワッツリンク装置、トラックフォロワリンク装置、および、カムリンク装置が含まれるが、これらに限定はされない。カムリンク装置は、異なる形状のカムを採用してもよく、これには、正弦状および他の形状が含まれるが、これらに限定はされない。全ての目的においてその全体が本明細書に援用されるＪｏｎｅｓの「Ｉｎｇｅｎｉｏｕｓ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ Ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ａｎｄ Ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ， Ｖｏｌｓ． Ｉ ａｎｄ ＩＩ」Ｔｈｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｅｓｓ （ニューヨーク、１９３５年）に様々なタイプの機械的リンク装置が記載されている。

Claims (28)

1. 複数の液体噴霧器内に規定されたチャンバーと、
   燃焼が無い状態でシリンダー内で気体が膨張していることに応答して可動である第１の端部を有するプランジャーピストンであって、クランクと連通している第２の端部を有するプランジャーピストンと、
   前記シリンダーのポートに対して可動であるポペットを備えた専用能動高圧バルブと、
   バルブを駆動する間、圧力の均衡を実質的に保つ、前記専用高圧バルブと前記チャンバーとの間のチャネルと、
   を備えた、装置。
2. 前記複数の液体噴霧器は少なくとも１つの液体噴霧リング内に配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記チャネルは前記ポペットを通るベントを備えており、前記バルブはカーテン部をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
4. 前記バルブはシュラウドを備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記チャンバーと連通している受動高圧バルブをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
6. 前記クランクとの物理的接続を介して前記専用高圧バルブを動作させるように構成されたカムアセンブリをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
7. 前記物理的接続は遊星ギアを備えている、請求項６に記載の装置。
8. 前記カムアセンブリは第１のカム対および第２のカム対を備えている、請求項６に記載の装置。
9. 前記シリンダーの第２のポートに対して可動である第２のポペットを備えている専用低圧バルブをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
10. 前記専用低圧バルブはバネ駆動される、請求項９に記載の装置。
11. 液体噴霧器と流体連通している液体ポンプをさらに備えており、前記液体ポンプはキャリアカムフォロワを介して回転カムと連通している対向プランジャーを備えている、請求項１に記載の装置。
12. 前記プランジャーピストンは機械的リンク装置を通して前記クランクと連通している、請求項１に記載の装置。
13. 前記機械的リンク装置はクロスヘッドを備えており、前記クロスヘッドの中央部は、前記クロスヘッドの端部に対して動くように偏心器に接続されている、請求項１２に記載の装置。
14. 前記複数の液体噴霧器が前記プランジャーピストンに覆われていない時だけ前記複数の液体噴霧器に液体が供給される、請求項１に記載の装置。
15. 前記プランジャーピストン上ではなくチャンバー壁上に配置されたピストンシールをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
16. 回転カムアセンブリを介して専用高圧バルブを能動的に制御し、これにより、圧縮気体を高圧側からチャンバー内へと流すことと、
    機械的リンク装置を駆動するために、チャンバー内で燃焼が無い状態で前記圧縮気体をプランジャーピストンに対して膨張させることと、
    液体ポンプに、熱交換のために液体を複数の噴霧器を通して前記チャンバー内に流させることと、
    前記機械的リンク装置の運動から電気を発生させることと、
    を包含する、方法。
17. 前記複数の噴霧器は少なくとも１つの液体噴霧リング内に配置されている、請求項１６に記載の方法。
18. 前記専用高圧バルブを能動的に制御することは、第１のカム対および第２のカム対の位置を変更することを包含している、請求項１６に記載の方法。
19. 前記位置はステッピングモータを用いて変更される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記専用高圧バルブはデスモドロミック駆動を介して制御される、請求項１６に記載の方法。
21. 前記液体ポンプは開閉カムを有するキャリアタイプのカムフォロワおよび対向プランジャーを備えている、請求項１６に記載の方法。
22. 前記専用高圧バルブにかかる圧力は前記専用高圧バルブおよび前記チャンバーの間のチャネルによって均衡化されている、請求項１６に記載の方法。
23. 前記専用高圧バルブはポペットおよびカーテン部を備え、前記チャネルは前記ポペットを通るベントを備えている、請求項２２に記載の方法。
24. 前記専用高圧バルブはシュラウドを備えている、請求項１６に記載の方法。
25. 前記複数の液体噴霧器が前記プランジャーピストンに覆われていない時だけ前記複数の液体噴霧器に液体が供給される、請求項１６に記載の方法。
26. 前記プランジャーピストン上ではなくチャンバー壁上に配置されたピストンシールをさらに備えている、請求項１６に記載の方法。
27. 第１の部分からずらされた偏心部を有する接続ロッドジャーナルと、
    前記偏心部に接続された第１のロッドおよび前記第１の部分に接続された第２のロッドを備えたロッドアセンブリであって、前記第１および／または第２のロッドは潤滑剤を受けるチャネルを有する、ロッドアセンブリを備え、
    前記第１のロッドは、下死点におけるピストンアセンブリを上げることにより、枢動ピンおよび前記第２のロッドの間の接触面に潤滑剤が進入することを許可する機能を果たす、装置。
28. 前記偏心部は、他方の部分と、これも前記偏心部からずらされた第２の部分との間に配置され、
    前記ロッドアセンブリは、前記第２の部分と接続された第３のロッドをさらに備えている、
    請求項２７に記載の装置。