KR101457901B1 - 상온 열에너지 등압 극저온 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 등압을 이용하여 등압에서 지속적인 "저온" 연소를 통해, 액상으로 저장되고 기상의 작동 가스로서 사용되는 극저온 유체로 작동되며 극저온 유체를 액상으로 복귀시킴으로써 폐쇄 사이클로 작동하는 액티브 챔버를 구비하는 상온 열에너지 극저온 엔진을 제공한다. 초기에 액체인 극저온 유체는 매우 낮은 온도에서 기상으로 기화되고, 압축기(B)의 덕트(A4)에 공급되며, 여전히 낮은 온도로 상온과의 가스/대기 교환기(C)를 통과하는 전술한 압축된 작동 가스는 가스 압축 장치에 의해 가열 장치에 연결되거나 연결되지 않는 작동 탱크 또는 등압 팽창 탱크(19)로 배출되는데, 이때 극저온 유체의 온도 및 체적은 상당히 증가하여, 예컨대 국제 특허 출원 WO 2005/049968에 따른 액티브 챔버를 포함하고 일 발생용 체적 릴리프 장치(D)에 상기 극저온 유체가 유입되는 것이 바람직하다. 이는 지상 차량, 자동차, 버스, 오토바이, 보트, 항공기, 비상용 발전기, 폐열발전 세트 및 고정식 엔진에 적용된다.

Description

상온 열에너지 등압 극저온 엔진{AMBIENT TEMPERATURE THERMAL ENERGY AND CONSTANT PRESSURE CRYOGENIC ENGINE}
본 발명은 엔진에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 특히 극저온 유체로 작동되며, 예컨대 소정 시간 동안 상사점에서 피스톤을 정지시키는 피스톤의 행정 및 엔진의 회전을 제어하기 위한 제어 장치, 그리고 일(work)을 발생시키는 가변 체적 액티브 챔버, 통합된(또는 별개의) 압축 장치, 및 상온 열에너지 회수 장치를 이용하는 엔진에 관한 것이다.
본 발명자는, 가스 및 보다 구체적으로는 도시 지역과 교외 지역에서 완전한 청정 작동을 위해 압축 공기를 사용하는 구동부 및 구동부의 설치에 관한 다수의 특허 및 특허 출원을 출원하였다(WO 96/27737, WO 97/00655, WO 97/39232, WO 97/48884, WO 98/12062, WO 98/15440, WO 98/32963, WO 99/37885, WO 01/69080, WO 03/036088 참조).
이들 발명을 적용하기 위해, 본 발명자는, 그 내용을 참조할 수 있는 특허 출원 WO 99/63206에서, 피스톤을 상사점에서 정지시킬 수 있도록 하는 엔진 피스톤의 행정 제어를 위한 제어 장치 및 방법을 또한 설명하였으며, 역시 그 내용을 참 조할 수 있는 본 발명자의 특허 출원 WO 99/20881에서 단일 에너지 공급 모드, 이중 에너지 공급 모드, 또는 이중 혹은 삼중 에너지 공급 모드를 이용하는 이들 엔진의 작동과 관련된 방법을 또한 설명하였다.
특허 출원 WO 99/37885에서, 본 발명자는 이용 가능하고 유용한 에너지의 양을 증가시킬 수 있으며, 저장소로부터 유래하는 압축 공기가 연소 챔버 또는 팽창 챔버 내부로 유입되기 이전에, 직접적으로 또는 상온 열에너지 회수 장치의 열 교환기 내부를 통과한 이후 및 연소실에 유입되기 이전에 소정 경로를 통해 재가열기(thermal reheater) 내부로 이동하고, 이때 온도의 상승에 의해 엔진의 팽창 챔버 및/또는 연소실 내부에 유입되기 이전에 다시 압축 공기의 압력 및/또는 체적이 증가하며, 이에 따라 상기 엔진에 의해 달성될 수 있는 성능을 상당히 향상시키는 것을 특징으로 하는 해법을 제시한다.
화석 연료의 사용에도 불구하고, 재가열기의 사용은, 극소량의 오염물질을 포함하는 배출가스를 얻으려는 목적을 위해 공지된 모든 수단에 의해 촉매 반응을 할 수 있고 정화될 수 있는 지속적인 청정 연소를 사용할 수 있도록 한다는 장점이 있다.
본 발명자는 그 내용을 참조할 수 있는 특허 출원 WO 03/036088을 출원하였으며, 이 특허 출원은 단일 에너지 및 복수의 에너지로 작동하는 추가적인 압축 공기 분사형 엔진-압축기(엔진-교류기 세트)와 관련된다.
가스, 보다 구체적으로는 압축 공기로 작동하고 고압 압축 공기 저장소를 포함하는 이들 유형의 엔진에 있어서는, 고압 저장소에 수용된 압축 공기를 릴리프시 킬 필요가 있지만, 엔진 실린더(들)에서 압축 공기를 사용하기 이전에 버퍼 탱크에서 최종 압력이라 불리는 안정한 중간 압력까지 고압 저장소를 비움에 따라 고압 저장소의 압력은 감소하게 된다. 밸브 및 스프링을 구비하며 널리 공지된 통상적인 감압기(pressure reducer)는 처리량이 매우 적고, 전술한 용례에 대한 감압기의 사용은 매우 무겁지만 매우 비효율적인 장치를 필요로 하며, 이러한 감압기는 또한 릴리프 중에 냉각된 공기의 습도에 의한 동결에 매우 민감하다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 또한 특허 출원 WO 03/089764를 출원하였으며, 이 특허 출원은 고압 압축 공기 저장소 및 작동 탱크를 포함하는 압축 공기 분사형 엔진에 대한 가변적인 비율의 동적 감압기와 관련된다.
이들 감압 장치에 있어서, 챔버의 충전은 항상 기기의 일반적인 출력에 해로운 압력 릴리프를 의미한다.
이 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 또한 특허 출원 WO 2005/049968을 출원하였으며, 이 특허 출원은 상사점에서 피스톤을 정지시키기 위한 장치를 사용하는 액티브 챔버 엔진과 관련된다. 바람직하게는 작동 탱크라고 불리는 버퍼 탱크를 통해 고압 저장소에 수용된 압축 공기 또는 임의의 다른 압축 가스가 액티브 챔버 엔진에 공급된다. 이중 에너지 유형에서의 작동 탱크는 추가적인 에너지(화석 에너지 또는 다른 에너지)가 공급되는 공기 재가열 장치를 포함하며, 이에 따라 이 장치를 통과하는 공기의 온도 및 체적을 증가시킬 수 있다. 작동 탱크는 이에 따라 외부 연소실이 된다.
이러한 유형의 엔진에 있어서, 엔진 내부의 팽창 챔버는, 일을 발생시킬 수 있도록 하는 수단이 마련되며 메인 구동 피스톤 상에 위치하는 공간과 연결되고 통로를 통해 영구적으로 접촉하는 가변 체적을 포함한다. 구동 피스톤이 상사점에서 정지하고 있는 동안, 액티브 팽창 챔버가 최소 체적을 가질 때 액티브 팽창 챔버에 유입되는 압축 공기 또는 압축 가스는 소정 유입 하에서 체적을 증가시키면서 일을 발생시키며, 액티브 챔버가 실질적으로 최대 체적이면 이때 입구는 폐쇄되고 여전히 액티브 팽창 챔버에 수용되어 있는 가압된 압축 공기는 엔진 실린더에서 팽창하여 구동 피스톤을 하강 행정으로 밀게 되며 운전 시에 일을 제공하고, 배기 행정 중에서 구동 피스톤의 상승 행정 도중에 팽창 챔버의 가변 체적은 완전한 작동 사이클을 재개시키기 위해 최소 체적으로 복귀된다.
따라서, 액티브 챔버 엔진의 열역학적 사이클은 압축 공기 단일 에너지 모드에서 4단계를 포함한다.
- 일(work)과 무관한 등온 팽창
- 열에너지 전달(준등온이라 불리며 일을 발생시키는 약간의 팽창)
- 일을 발생시키는 폴리트로픽 릴리프(polytropic relief)
- 준상온에서의 배기
이중 에너지 용례 및 추가적인 연료 모드에서, 공기 압축기는 고압 저장소 또는 작동 탱크(연소실) 혹은 그렇지 않으면 이들 체적 모두를 함께 공급한다.
액티브 챔버 엔진은 또한 화석 연료를 이용하는 단일 에너지 모드에서 작동될 수 있다. 전술한 바와 같은 양태에 있어서, 고압 압축 공기 저장소는 이 경우 완전히 그리고 간단하게 제거되며, 공기 압축기는 화석 에너지 또는 다른 에너지가 공급되는 공기 재가열 장치를 포함하는 작동 탱크에 직접 공급한다.
액티브 챔버 엔진은 외부 연소실을 구비하는 엔진이지만, 재가열기에서의 연소는 화염이 직접 작동 압축 공기와 접촉하도록 함으로써 "외부-내부(external internal)"라 불리는 내부 연소일 수 있거나, 또는 열 교환기를 통해 작동 공기를 재가열함으로써 "외부-외부(external external)"라 불리는 외부 연소일 수 있다.
이러한 유형의 엔진은 등압 및 관계식 PV1 = nRT1과 PV2 = nRT2에 따른 가변 체적을 이용하여 연소하도록 작동한다. 이때 일정한 압력 P에 대해서, V1/V2 = T1/T2가 성립한다.
등압 하에서의 온도 상승은 동일한 비율로 압축 공기의 체적을 증가시키는 효과를 가지며, N배만큼 체적이 증가하기 위해서는 N배만큼의 동일한 온도 상승이 요구된다.
이중 에너지 모드 및 추가적인 에너지를 이용하는 유사한 작동에 있어서, 그리고 압축 공기가 고압 저장소에 유입될 때, 열역학적 사이클은 이 경우 7단계를 포함한다.
- 흡기
- 압축
- 작동 탱크에서의 등온 팽창
- 온도 상승
- 열에너지 전달(준등온이라 불리며 일을 발생시키는 약간의 팽창)
- 일을 발생시키는 폴리트로픽 릴리프
- 준대기압에서의 배기
압축 공기가 직접 작동 탱크 또는 연소실에 유입될 때, 열역학적 사이클은 6단계를 포함하며, 이들 단계는 다음과 같다.
- 흡기
- 압축
- 온도 상승
- 열에너지 전달(준등온이라 불리며 일을 발생시키는 약간의 팽창)
- 일을 발생시키는 폴리트로픽 릴리프
- 준대기압에서의 배기
이중 에너지 용례를 갖는 이러한 유형의 엔진에 있어서, 작동 탱크 또는 연소실에 유입되는 압축 공기의 온도는 상온과 동일한 온도 또는 상온보다 높은 온도이며, 압축 공기가 고압 저장소로부터 유래하는 경우에는 실질적으로 상온과 동일하고, 압축 공기가 압축기로부터 직접 유입되는 경우에는 상온보다 높으며, 압력 증가에 의해 사이클의 다음 단계에서 체적이 증가하게 된다.
압축기로부터 직접 유래하는 경우, 공기 온도는 예컨대 상온보다 높은 400 ℃(673 K) 정도의 값에 도달할 수 있다.
개념을 구체화하기 위해, 비한정적인 예로서, 30 바아에서 30 ㎤인 액티브 챔버에 공급하고자 하는 경우, 저장소로부터 30 바아 및 293 K(20 ℃)의 상온에서 5 ㎤의 압축 공기 부하를 취하여 작동 챔버, 등압 재가열 액티브 챔버에 유입시키며, 이때 요구되는 30 ㎤를 얻기 위해서는 초기값의 6배에 달하는 온도, 이를테면 1758 K 또는 1485 ℃에 달하는 연소를 달성할 필요가 있다.
5 ㎤의 부하가 압축기로부터 직접 유래하는 경우, 이 부하는 실질적으로 693 K(420 ℃)이며, 마찬가지 결과로서 상기 부하의 온도는 693 K의 6배에 달하는 온도, 이를테면 2158 K 또는 1885 ℃를 취해야만 한다.
외부 연소실에서 고온을 사용하면 재료의 관점에서 많은 응력을 유발하고 특히 1000 ℃를 넘을 때 형성되는 NOx(질소산화물) 오염물 배출가스를 발생시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 또한 프랑스 특허 출원 번호 0506437(FR-A-2.887.591)을 출원하였으며, 이 특허 출원은 등압에서의 지속적인 "저온" 연소를 이용하고 동등한 성능인 경우 역설적으로 기기의 출력을 상당히 증가시키는 훨씬 저온의 연소를 허용함으로써 이러한 응력을 해결할 것을 제안하는 액티브 챔버를 이용한 저온 엔진-압축기 세트와 관련된다.
등압에서의 지속적인 "저온" 연소 및 액티브 챔버를 이용하는 저온 엔진-압축기 세트는 저온 챔버를 포함하여 압축 공기 장치의 입구에 공급되는 대기의 온도를 낮게 또는 매우 낮게 만들 수 있으며, 이후에 압축 공기 장치는 이러한 압축 작동 공기를 여전히 낮은 온도로 공기 재가열 장치와 연결된 연소실 또는 외부 작동 탱크로 배출하는데, 이때 압축 작동 공기의 체적은 상당히 증가하여 특허 출원 WO 2005/049968에 따른 액티브 챔버 내로 유입되는 것이 바람직하며, 이 경우 구동 피스톤이 상사점에서 정지하는 동안 액티브 팽창 챔버가 최소 체적일 때 소정 유입 하에서 액티브 팽창 챔버에 유입되는 압축 공기 또는 가스는 일을 발생시키면서 체적이 증가하게 되고, 액티브 챔버가 실질적으로 최대 체적일 때 입구는 이제 폐쇄되며 여전히 액티브 팽창 챔버에 수용된 압축 공기는 엔진 실린더에서 팽창하여 구동 피스톤을 하강 행정으로 밀게 되고 운전 시에 일을 제공하며, 배기 행정 중의 구동 피스톤의 상승 행정 동안에 팽창 챔버의 가변 체적은 완전한 작동 사이클을 재개시키기 위해 최소 체적으로 복귀된다.
등압에서의 지속적인 "저온" 연소 및 프랑스 특허 출원 FR 0506437에 따른 액티브 챔버를 이용하는 저온 엔진-압축기 세트의 열역학적 사이클은 7단계를 포함한다.
- 대기 온도의 상당한 저하
- 흡기
- 압축
- 온도 상승(등적 상태에서의 연소)
- 준등온 열에너지 전달
- 폴리트로픽 릴리프
- 준대기압에서의 대기로의 배기
본 발명에 따른 열역학적 사이클을 이용하는 저온 엔진-압축기 세트에 있어서, 압축기의 입구 공기는, 기화를 위해 열을 흡수하는 액체를 이용하는 냉각(또는 극저온) 기기의 저온 챔버에서 고도로 냉각되며, 이때 초기에 기체 상태인 냉각 유체 또는 극저온 유체는 극저온 압축기에 의해 압축되고 이 유체를 액화시키는 코일로 배출되는데, 이러한 액화 현상은 열을 방출시키며 상기 액체는 이후에 액체가 기화(열을 흡수하는 현상)되는 저온 챔버에 배치된 기화기에 유입된다. 따라서, 발생되는 증기는 압축기로 복귀하며 사이클은 재개될 수 있다. 저온 챔버에 수용된 작동 공기는 이후에 상당히 냉각되고 수축되며, 다음에 저온에서 다시 공기 압축기에 의해 압축되는데, 이때 작동 공기는, 운전시에 일을 발생시키는 엔진 실린더에서의 폴리트로픽 릴리프 이전에 일 발생용 액티브 챔버 내부로 준등온 과정을 통해 전달되기에 앞서 재가열되고 체적이 상당히 증가한다.
개념을 구체화하기 위해, 공기 압축기에 의해 5 ㎤의 압축 공기 부하가 30 바아의 압력 및 90 K의 온도에서 작동 및 연소 챔버에 직접 유입되는 경우, 30 바아에서 30 ㎤의 액티브 챔버에 공급할 수 있도록, 초기값의 6배에 달하는 온도, 이를테면 540 K 또는 267 ℃에 도달하는 연소를 형성할 필요가 있다.
본 발명의 변형에 따르면, 압축기의 출구에서 여전히 저온인 압축된 작동 공기는 연소실을 향해 안내되기에 앞서 공기/공기 교환기를 통과하며, 이에 따라 연소실에 유입되기에 앞서 체적이 상당히 증가하는 동안 실질적으로 상온으로 돌아간다. 열에너지 제공의 필요성은 이에 따라 상당히 줄어든다.
개념을 구체화하기 위해, 90 K에서 공기 압축기로부터 유래하는 5 ㎤의 압축 공기 부하는 공기/공기 교환기를 통과하고, 그 온도는 실질적으로 상온 또는 270 K가 되는 경우의 비교예에 있어서, 작동 및 재가열 챔버에 유입되는 체적은 이때 15 ㎤이며, 또한 30 바아에서 액티브 챔버에 공급하기 위해 이 경우에는 단지 270 K의 2배(또는 540 K)에 달하는 온도를 취하는 연소를 달성할 필요가 있으므로 연료에 의해 제공되는 에너지를 상당히 절감할 수 있다.
이러한 전술한 본 발명의 설명 및 본 명세서는 일반적인 용어, 즉 "매우 낮은 온도", "저온", "주위 온도" 또는 "상온" 및 "저온 연소"로 공기 온도값을 표현하고 있다. 작동 온도는 실제로 서로 관련되지만, 개념을 명확하게 하기 위해, 비한정적인 방식으로, 본 출원인은 90 K 미만의 값에 대해서는 "매우 낮은 온도"라는 용어를 사용하고, 200 K 미만의 값에 대해서는 "저온"이라는 용어를 사용하며, 273 K 내지 293 K 사이의 값에 대해서는 "저온 연소"라는 용어뿐만 아니라 "상온"이라는 용어를 사용하는데, 이는 400 내지 1000 K 사이에 존재하는 값에 대해 2000 K가 넘는 현재의 엔진 연소 온도와 비교된다.
등압에서의 지속적인 "저온" 연소 및 프랑스 특허 출원 FR 0506437에 따른 액티브 챔버를 이용하는 이러한 유형의 저온 엔진-압축기 세트에 있어서, "저온 챔버"를 냉각시키기 위한 극저온 기기는, 공기 또는 작동 가스의 온도를 약 290 K인 상온으로부터 가능한 최저 온도까지 낮추도록 구성된다. 그러나, 이러한 세트의 효율은 사용되는 작동 가스의 온도에 의해 제한되며, 사용되는 작동 가스의 온도는 상기 작동 가스를 액화시키기 위한 온도보다 낮을 수 없다.
전술한 프랑스 특허 출원 번호 FR 0506437에 따른 저온 연소 엔진-압축기 세트 및 액티브 챔버 엔진과 유사하게, 본 발명에 따른 상온 열에너지 등압 극저온 엔진은 압축된 작동 가스를 사용하며, 바람직하게는 액티브 챔버 체적 릴리프 장치도 또한 사용한다.
본 발명에 따라, 다음을 제시한다.
메인 구동 피스톤 위에 위치하는 공간을 채울 때 일을 발생시킬 수 있는 수단이 마련되고 이 공간에 연결되며 통로를 통해 영구적으로 접촉하는, 가변 체적으로 이루어진 액티브 챔버 체적 릴리프 장치와, 통합된 압축 장치 또는 통합되지 않은 압축 장치를 사용하는 엔진은 다음을 특징으로 한다.
- 작동 가스는, 폐쇄 사이클에서 사용되고 액상으로 저장되며 기상으로 작동하고 액상으로 저장소로 복귀하는 극저온 유체이다.
- 초기에 액체인 작동 가스는 매우 낮은 온도, 즉 실질적으로 기화 온도에서 기상으로 기화되며 가스 압축 체적 장치의 입구에 공급되는데, 이 가스 압축 체적 장치에서 작동 가스는 작동 압력으로 압축된다.
- 압축기의 출구에서 여전히 매우 낮은 온도이며 압축된 이러한 작동 가스는 작동 압력으로 팽창 탱크 내에 배출되며, 대기와의 열교환에 의해 실질적으로 상온이 되어, 상온으로부터의 열에너지의 전달 효과 하에서 온도가 상당히 증가하고, 등압 관계식 V1/V2 = T1/T2에 따라 동일한 비율로 체적이 증가한다.
- 여전히 작동 압력으로 압축되어 있으며 실질적으로 상온인 상기 가스는, 이후에 액티브 팽창 및 릴리프 챔버를 포함하는 일 발생용 체적 릴리프 장치로 유입된다.
- 릴리프 후에 상기 일 발생용 체적 릴리프 장치로부터 매우 낮은 온도에서 다시 배기되면, 상기 작동 가스는 극저온 유체의 저장 탱크를 향해 배출되고 저장 탱크에서 액화되어 새로운 사이클을 재개함으로써 상온 열에너지 등압 극저온 엔진을 구성한다.
엔진의 다른 특징에 따르면 다음과 같다.
* 열역학적 사이클은 다음의 7단계를 포함한다.
- 극저온 유체의 기화
- 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축
- 상온에 의한 등압 재가열
- 일을 발생시키는 준등온 열에너지 전달
- 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프
- 저장소 내로의 폐쇄 사이클 배기
- 저장소로 복귀하는 가스의 액화
* 저장소 내에서 액상인 유체의 기화는 작동 유체/작동 유체 교환기를 사용한 가열에 의해 달성되고, 이때 교환기에서 준기상이며 체적 릴리프 장치의 배기로부터 복귀되고 상기 가열을 행하기에 충분한 온도인 상기 극저온 유체는 냉각 및 액화 중에 저장소에 있는 액상의 극저온 유체의 일부를 가열하고 기화시킨다.
* 극저온 유체의 액화-기화용 열 교환기는 탱크 내부에 침지된 코일로 이루어지며, 엔진의 배기로부터 유래하는 유체는 저장소에서 액상인 유체를 기화시키기 위해 필요한 열을 방출하면서 냉각 및 액화를 마무리하게 된다.
* 극저온 기기는 체적 릴리프 장치의 배기구와 유체 저장소 사이에 배치되어, 작동 가스가 열 교환기에서의 액화를 위해 저장소의 열 교환기에 유입되기에 앞서 기상 또는 준기상으로 배기구에서 배출되는 작동 가스의 온도를 조절할 수 있도록 하며, 체적 릴리프 장치의 배기구에서 기상 또는 준기상인 유체는 이후에 극저온 기기의 저온 챔버에 배치된 열 교환기를 통과하는 동안 냉각된다.
* 극저온 기기는, 자기장의 효과 하에서 특정 재료를 가열하고 자기장이 소멸되거나 이러한 자기장이 변화된 이후에 특정 재료의 온도를 그 초기 온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 성질을 이용하는 자기 열량 효과(magnetic-calorific effects)를 이용함으로써 작동된다.
* 열역학적 사이클은 8단계를 포함한다.
- 극저온 유체의 기화
- 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축
- 상온에 의한 극저온 유체의 등압 재가열
- 일을 제공하는 준등온 열에너지 전달
- 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프
- 저장소 내부로의 폐쇄 사이클 배기
- 극저온 기기에서의 냉각
- 저장소로 복귀하는 가스의 액화
* 등압 팽창 탱크는 대용량의 작동 압력 저장소를 포함하고, 이 작동 압력 저장소 내에 수용된 작동 가스는, 대기와 작동 압력 저장소 케이스의 열교환 표면적, 작동 압력 저장소의 체적 및 상기 작동 압력 저장소에서의 저장 시간에 따라 상온으로 유지되고, 압축기로부터 유래하는 압축된 작동 가스는 자연적으로 상기 압력 저장소에 이미 수용된 작동 가스와 상온에서 혼합됨으로써 실질적으로 상온이 된다. 작동 압력 저장소의 체적와 상기 작동 압력 저장소에서의 저장 시간 및 대기와 접촉하는 작동 압력 저장소 벽의 표면적에 따라, 이미 저장소에 상온으로 수용되어 있으며 벽을 통한 상온과의 열교환에 의해 상온으로 유지되는 가스와의 혼합에 의해 자연적으로 상온으로의 복귀가 이루어질 수 있다.
* 상기 작동 압력 저장소의 케이스는, 대기와 작동 압력 저장소에 수용된 작동 가스 사이의 열교환을 촉진하기 위해 핀(fin)과 같은 외부 열교환 수단 및/또는 내부 열교환 수단을 포함하며, 이에 따라 열교환 표면적을 상당히 증가시킬 수 있고 작동 압력 저장소의 대기와의 열교환 효율을 개선할 수 있다.
* 적어도 하나의 대기/작동 가스 교환기는 압축기와 등압 팽창 탱크 및/또는 작동 압력 팽창 저장소 사이에 설치되며/설치되거나 상기 저장소와 일 발생용 체적 릴리프 장치 사이에 설치되어 상기 작동 가스가 상온으로 복귀하도록 작동한다.
* 작동 가스 가열 장치는, 작동 가스가 엔진에 유입되기 이전에 상온보다 높은 온도를 얻을 수 있도록 배치되고, 이때 온도는 기상인 극저온 유체의 연소에 의해 손상되지 않도록 열 교환기를 통해 외부-외부 형태(external-external type)의 연소실에서 상승된다.
* 열역학적 사이클은 다음의 9단계를 포함한다.
- 극저온 유체의 기화
- 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축
- 상온에 의한 극저온 유체의 등압 재가열
- 재가열 및 상온을 초과하는 온도 증가
- 일을 제공하는 준등온 열에너지 전달
- 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프
- 저장소로의 폐쇄 사이클 배기
- 극저온 기기에서의 냉각
- 탱크로 복귀하는 가스의 액화
* 엔진은 소정 시간 동안 상사점에서 피스톤이 정지하도록 피스톤의 행정을 제어하는 장치 및 액티브 챔버를 포함한다.
- 구동 피스톤이 상사점에 정지되어 있는 동안 압축 가스는 액티브 팽창 및 릴리프 챔버로 유입되는데, 이 액티브 팽창 및 릴리프 챔버는, 일을 발생시킬 수 있는 수단이 마련되고 메인 구동 피스톤 위에 있는 공간과 연결되며 소정 통로를 통해 영구적으로 접촉하는 가변 체적을 포함하고, 이 챔버의 체적이 최소가 될 때 작동 가스의 유입 하에서 상기 가변 체적은 일을 발생시키면서 그 체적이 증가한다.
- 액티브 팽창 및 릴리프 챔버가 실질적으로 최대 체적일 때, 입구는 이제 폐쇄되고, 작동 가스는 여전히 소정 압력으로 압축되며 상기 챔버에 수용되고 엔진 실린더에서 팽창하여 운전시에 일을 발생시키는 동안 하강 행정이 되도록 구동 피스톤을 다시 밀어내며 이에 따라 상당한 온도 저하를 겪게 된다.
- 배기 행정 도중 구동 피스톤의 상승 행정 중에, 액티브 팽창 및 릴리프 챔버의 가변 체적은 최소 체적으로 복귀하여 완전한 작동 사이클을 재개시킨다.
개념을 구체화하기 위해, 비한정적인 예로서, 기화 온도가 5 K인 극저온 유체로서 헬륨을 사용하면, 30 바아에서 30 ㎤의 액티브 챔버에 작동 가스를 공급할 수 있도록 하기 위해, 가스 압축기의 흡입 체적은 5 K에서 15 ㎤이고 작동 가스의 배출 체적은 19 K 및 30 바아에서 1.91 ㎤이다. 293 K의 상온에 대한 열교환(정적 가열)에 의해 대기 중에서 에너지를 취하는 이러한 동일한 작동 가스는, 동일한 압력(30 바아)에서 체적이 15.42 (293/19) 배만큼 증가하여 요구되는 30 ㎤ (1.91 × 15.42 = 30 ㎤)에 도달한다. 일을 공급한 후에 체적 릴리프 장치에서 배출되는 가스는 대기압에서 90 K 정도의 온도이다. 이 가스는 냉각 후에 액화되며 저장 탱크로 복귀하여 새로운 사이클이 가능하도록 한다.
이상의 예에서, 엔진 회전에 의한 소량의 가스(흡기된 15 ㎤)의 압축은 거의 중요하지 않고 실질적으로 4000 rpm에서 0.88 KW(1.2 마력) 정도인 음(-)의 일(work)을 나타내는데, 이는 30 바아 및 겨우 19 K에서 1.9 ㎤를 얻을 수 있도록 해주고, 주위의 열에너지는 대기와의 열교환에 의해 이후에 이 가스의 체적이 30 ㎤가 되도록 하는데, 이 가스는 액티브 챔버 체적 릴리프 장치에서 팽창하고 거의 12 KW(16 마력)의 일을 발생시키는 반면, 배기 가스의 온도를 90 K로부터 액화 온도(5 K)까지 복귀시키기 위해 필요한 에너지는 3.29 KW(4.4 마력)이다. 따라서, 온도 상승 중에 상온 열에너지에 의해 거의 10 마력(7.65 KW)이 제공된다.
매우 낮은 온도의 작동 가스 압축기는 사용되는 온도에서 작동을 허용하는 극저온 압축기를 포함하는 것이 유리하며, 이 압축기는 액티브 챔버 체적 릴리프 장치의 엔진 샤프트에 의해 구동되거나 또는 체적 릴리프 장치의 구조에 (예컨대, 2단계 피스톤과 함께) 통합된다. 압축기의 단 수 및 작동 방법, 즉 교호하는 피스톤, 회전식 피스톤, 패달을 이용한 회전, 막을 구비한 압축기, 터빈은 본 발명의 원리를 변경하지 않고도 변할 수 있다.
더 크거나 더 작은 체적의 하나 이상의 등압 팽창 탱크와, 상기 팽창 탱크 앞에 및/또는 뒤에 배치되는 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 조합식 장치는, 전술한 본 발명의 원리를 변경하지 않고도 당업자에 의해 제작될 수 있다. 이는, 상온의 대기의 열량을 작동 가스에 공급할 수 있도록 가스(대기/가스), 액체(액체/작동 가스) 또는 고체(고체/작동 가스)를 이용할 수 있는 열 교환기 또는 교환기의 구조에도 동일하게 적용된다.
탱크에서 액상인 유체의 기화는, 공지된 모든 가열 또는 재가열 수단에 의해 달성될 수 있지만, 바람직하게는 본 발명에 따라 엔진 배기로부터 복귀하는 극저온 유체의 온도를 이용하여 달성되며, 극저온 유체의 온도는 예컨대 저장 탱크에 침지된 코일을 포함하는 열 교환기에서의 열 교환에 의해 상기 가열을 행하기에 충분한 온도이고, 엔진 배기로부터 유래하는 유체는 상호 교환에 의해 기화를 위해 필요한 열을 발산함으로써 그 냉각 및 액화를 마무리한다.
유리하게는, 상기 코일의 출력부는 액체 형태의 극저온 유체를 수용하는 탱크의 바닥에 위치하며, 상기 코일의 말단부는 기화되어야 하는 최초 액체의 상부에 침지되어 있게 된다.
유리하게는, 저온을 형성하도록 구성된 극저온 기기가 엔진 배기구와 유체 탱크 사이에 배치되어, 탱크의 열 교환기 내에 유입되기에 앞서 기상 또는 준기상인 배기 유체의 온도를 조절할 수 있도록 한다. 역시 기체 상태이며 엔진 배기로부터 유래하는 팽창된 작동 가스는 이후에 열을 흡수하여 기화하는 액체를 사용하여 극저온 기기의 저온 챔버에서 냉각되고, 처음에 기체 상태인 극저온 유체는 극저온 압축기에 의해 압축되며 이후에 극저온 유체가 액화되는 코일로 배출되고, 이러한 액화 현상은 열을 발산하는데, 액체는 이후에 저온 챔버 내에 배치된 기화기에 유입되고, 상기 액체는 저온 챔버에서 기화되며(열을 흡수하고 이에 따라 저온을 형성하는 현상) 이에 따라 생성된 증기는 압축기로 복귀하고 사이클은 재개될 수 있다.
유리하게는, 본 발명은 자기 열량 효과 극저온 기기를 이용할 수 있다.
대형 초전도체 자기 조립체의 사용에 기초하는 제1 기법은, 절대 0도에 근접한 온도에 도달하기 위해 연구실 및 핵 연구 분야에서 사용된다. 구체적으로, 공지되어 있는 특허 US-A-4,674,288은, 초전도 코일에 의해 형성되는 자기장에서 이동 가능한 자화 가능 물질(magnetizable substance) 및 상기 초전도 코일과 열전도 관계이며 헬륨을 수용하는 저장소를 포함하는 헬륨 액화 장치를 설명한다. 자화 가능 물질의 병진 이동은 전도성 요소에 의해 헬륨에 전달되는 저온을 형성한다. 또한, 참고 가능한 공지된 특허 WO 2005/043052는, 적어도 하나의 자기 열량 요소, 적어도 하나의 자기장을 발산하도록 배치된 자기 수단(magnetic means), 자기 수단에 연결되어 자기 열량 요소에 대해 자기 수단을 이동시켜 자기 수단이 자기장의 변동 또는 제거를 겪도록 함으로써 이들의 온도가 변하도록 하는 이동 수단, 및 이들 자기 열량 요소에 의해 발생되는 냉장 및/또는 열량을 회수하기 위한 회수 수단을 각각 포함하는 적어도 2개의 가열 부재(heat member)가 마련된 열유속 발생 유닛을 포함하며 자기 열량 재료로 제작된 열유속 발생 장치를 설명하고 있다.
엔진에 작동 가스를 유입하기 이전에 배치되며 작동 가스를 재가열하기 위한 장치는 상온보다 높은 온도를 얻을 수 있도록 한다. 이러한 작동 가스의 재가열은 추가적인 연료 모드에서의 화석 연료의 연소에 의해 달성될 수 있으며, 작동 탱크에 수용된 압축 공기는 재가열기에서 추가적인 에너지에 의해 재가열된다. 이러한 장치는 이용 가능한 에너지의 양을 증가시킬 수 있으며, 액티브 챔버 체적 릴리프 장치에 유입되기에 앞서 압축된 작동 가스는 온도 및 체적이 증가하여 하나의 실린더 용량 및 동일한 실린더 용량에 대해 엔진의 성능을 향상시킬 수 있다는 사실에 기초하여 이용 가능하다. 재가열기를 사용하면 극소량의 오염물질 배출을 달성하려는 목적을 위한 공지된 모든 수단에 의해 촉매 반응되고 정화될 수 있는 연속적인 청정 연소를 사용할 수 있도록 한다는 장점을 갖는다.
온도 상승은 이때 열 교환기를 통한 '외부-외부' 유형의 연소실에서 달성되어 기상인 극저온 유체의 연소에 의해 손상되지 않도록 한다.
본 발명의 변형에 따른 엔진의 열역학적 사이클은, 이 사이클이 앞서 나열한 9단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 극저온 엔진은 자동차 운전자, 요구 성능 및 발생 비용의 세부 내역에 따라 모든 공지된 극저온 유체를 이용하여 작동될 수 있지만, 더 큰 동력을 얻기 위해 액상 온도와 액티브 챔버의 실린더 내에 유입될 때 기상이며 상온에 가까운 유체의 온도 및 기화 온도 사이에 가능한 최대의 온도차를 허용하도록 가장 낮은 비등점을 갖는 유체를 이용하게 되며, 이러한 온도차는 엔진의 효율을 결정한다.
공지된 냉각 유체 및 극저온 유체 중에서는 비등점이 5 K인 헬륨(He), 비등점이 20 K인 수소(H2), 또는 아니면 비등점이 77 K인 질소(N2)를 사용하여 원하는 결과를 달성할 수 있다.
요구 조건에 따라 이들 특징을 변화시키는 가스 혼합물을 또한 사용할 수 있다.
냉각 기기, 기화기 및 열 교환기의 압축 모드, 사용되는 재료, 냉각 유체 또는 극저온 유체, 본 발명을 적용하기 위해 사용되는 액화 극저온 기기의 유형은 전술한 발명을 변경시키지 않고도 변할 수 있다.
이제까지 설명한 발명을 변경하지 않고도, 기화, 압축, 액티브 챔버 작업 사이클, 즉 일을 발생시키면서 체적이 증가된 후 구동 피스톤의 팽창 행정 동안 실제 챔버 체적인 소정 체적으로 유지함에 따른 입구 부하(inlet load)의 유입, 이후에 새로운 사이클을 가능하게 하기 위한 최소 체적으로의 복귀를 달성할 수 있도록 하는 기계식, 유압식, 전기식 장치 또는 다른 장치를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 엔진의 체적 릴리프 장치의 내부 팽창 챔버는 전술한 작업에 능동적으로 참여한다. 본 발명에 따른 체적 릴리프 장치는 "액티브 챔버"라 부른다.
액티브 챔버라 불리는 가변 체적 팽창 및 릴리프 챔버는, 실린더에서 활주하고 커넥팅 로드를 매개로 엔진 크랭크샤프트의 크랭크핀에 연결되며 압력 피스톤이라 불리는 피스톤을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 원리를 변경하지 않고도, 동일한 기능 및 본 발명의 열역학적 사이클을 수행할 수 있도록 하는 다른 기계식, 전기식, 또는 유압식 장치를 사용할 수 있다.
체적 릴리프 장치의 이동 가능한 모든 장비(피스톤 및 압력 레버)는 하위 아암을 하위 아암의 고정 단부 또는 피벗 너머로 연장시킴으로써, 대응 압력 레버(mirror pressure lever)에 의해 균형을 맞추는데, 이러한 대응 압력 레버는 반대 방향으로 대향하며 대칭이고 동일한 관성이 부여되며 피스톤의 이동축에 평행한 축 상에서 이동 가능하고 피스톤의 방향과 반대 방향인 동일한 관성 중량이다. "관성"은 중량과 기준점에 대한 무게 중심의 거리의 곱이다. 다중 실린더 체적 릴리프 장치의 경우에 있어서, 대향 중량은 보통 균형을 이루는 피스톤과 유사하게 작동하는 피스톤일 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 대향 실린더의 축과 압력 레버의 고정점이 실질적으로 동일한 축 상에서 동일선상에 위치하며 크랭크샤프트에 연결된 제어용 커넥팅 로드의 축이 이와 반대로 관절식으로 연결된 아암의 공통축 상이 아니라 공통축과 고정점 또는 피벗 사이의 아암 자체에 배치되는 전술한 장치를 사용할 수 있다. 따라서, 하위 아암 및 하위 아암의 대칭성은, 피벗 또는 고정점을 실질적으로 중앙에 구비한 단일 아암 및 각각의 자유 단부에서 대향하는 피스톤과 연결된 2개의 스핀들(spindle)을 의미한다.
실린더의 개수는 본 발명의 원리를 변경하지 않고도 변할 수 있는 반면, 바람직하게는 짝수인 2개의 대향 실린더에서의 세트가 사용되거나 또는 그렇지 않으면 사이클의 더 큰 규칙성을 얻기 위해 2개가 넘는 실린더, 예컨대 4개 또는 6개 등의 실린더가 사용된다.
본 발명의 또 다른 변형에 따르면, 상온 열에너지 극저온 엔진은 여러 개의 팽창 단계를 포함하며, 각각의 단계는 본 발명에 따른 액티브 챔버를 포함하는데, 이때 각각의 단계 사이에 열 교환기가 배치되어 이전 단계 및/또는 추가적인 에너지를 이용한 재가열 장치를 필요로 하는 단계의 배기 공기를 재가열할 수 있도록 한다. 다음 단계의 실린더 크기는 이전 단계의 실린더의 크기보다 크다.
상온 열에너지 등압 극저온 엔진은 특허 출원 WO 2005/049968에 따른 액티브 챔버에 연결되고 일 발생용 체적 릴리프 장치를 이용하는 것이 유리하다.
그러나, 본 발명의 변형에 따라, 다음을 제안한다.
엔진은 다음을 특징으로 한다.
- 작동 가스는, 폐쇄 사이클에서 사용되며 액상으로 저장되고 기상으로 작동하며 액상으로 저장소로 복귀하는 극저온 유체이다.
- 초기에 액체인 극저온 유체는 매우 낮은 온도에서 기상으로 기화하며, 이후에 대기/작동 가스 교환기를 통해 및/또는 직접적으로 작동 압력까지 압축되고 여전히 낮은 온도를 유지하는 가스를 등압 팽창 탱크 내부로 배출하는 가스 압축 장치의 입구에 공급되며, 가열 장치를 포함하거나 포함하지 않는 등압 팽창 탱크에서 유체의 온도는 상당히 증가하고, 유체의 체적은 등압 관계식 V1/V2 = T1/T2에 따라 동일한 비율로 증가한다.
- 여전히 작동 압력으로 압축되어 있는 상기 가스는, 통상적인 크랭크 커넥팅 로드 장치를 구비한 통상적인 엔진에서, 또는 그렇지 않으면 회전식 피스톤 엔진이나 혹은 일을 발생시키며 릴리프를 수행하는 다른 내연 장치 상에서 사용되는 일 발생용 체적 릴리프 장치 내부로 유입된다.
- 또한 릴리프 이후에 매우 낮은 온도를 유지하는 일 발생용 체적 릴리프 장치의 배기에서의 작동 가스는, 배기구와 유체 탱크(A1) 사이에 배치된 극저온 기기를 통해 극저온 액체의 저장소로 배출되므로, 기상 또는 준기상으로 배기구에서 배출되는 작동 가스의 온도를 조절할 수 있게 되고, 열 교환기에서 액화되도록 저장소의 열 교환기 내에 유입되기 이전에 작동 가스의 온도를 조절할 수 있게 되며, 릴리프 장치의 배기구에서 기상 또는 준기상인 유체는 이후에 극저온 기기의 저온 챔버에 배치된 열 교환기 내부를 통과하는 중에 냉각되고 액화되어 새로운 사이클을 재개하도록 한다.
본 발명의 이러한 변형에 따른 엔진의 열역학적 사이클은 7단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 극저온 유체의 기화
- 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축
- 상온에 의한 극저온 유체의 등압 재가열
- 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프
- 탱크 내부로의 폐쇄 사이클 배기
- 극저온 기기에서의 냉각
- 탱크로 복귀하는 가스의 액화
상온 열에너지 등압 극저온 엔진은, 모터 펌프 세트와 같은 임의의 고정된 장소의 용례에서 뿐만 아니라 모든 지상 수송 수단, 해상 수송 수단, 궤도 수송 수단, 항공 수송 수단에서 사용될 수 있으며, 다양한 기계(예컨대, 기계 수단)를 구동한다.
상온 열에너지 등압 극저온 엔진은 또한 전기, 난방 및 공기 조화를 제공하는 다수의 가정용 폐열발전 용례에서 뿐만 아니라 비상용, 응급용, 및/또는 전기발전용 발전기 세트에서 용례를 찾을 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
본 발명에 따른 엔진의 다른 특징에 따르면 다음과 같다.
* 엑셀러레이터 버터플라이 밸브는 일 발생용 체적 릴리프 장치의 입구 덕트 상에 배치되어 액티브 챔버 및/또는 실린더 내부로 다소간 작동 가스가 유입되도록 함으로써 엔진을 제어할 수 있도록 한다.
* 엑셀러레이터 버터플라이 밸브는 매우 낮은 온도의 압축기의 입구에 배치되며, 바람직하게는 전기 장치에 의해 제어되어 압축기의 입구, 속도를 조절할 수 있도록 하는 반면, 체적 릴리프 장치가 취하는 가스의 양에 따라 감소하는 경향을 갖는 등압 팽창 탱크에서의 요구 압력을 유지하도록 한다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징은 첨부된 도면과 관련하여 비한정적인 방식의 여러 가지 실시예를 읽으면 명확해질 것이다.
도 1은 블록 다이어그램 형태로서 본 발명에 따른 액티브 챔버 극저온 엔진을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 블록 다이어그램 형태로서 본 발명에 따른 엔진의 다양한 작동 단계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 극저온 엔진의 열역학적 사이클의 온도/체적 다이어그램을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1은, 블록 다이어그램 형태로서, 액상의 극저온 유체 저장소(A), 매우 낮은 온도의 압축기(B), 가스/대기 교환기(C), 액티브 챔버를 구비하는 일(work) 발생용 체적 릴리프 장치(D), 및 액화 이전의 냉각을 위한 극저온 기기(E)의 5가지 구성요소를 포함하는, 본 발명에 따른 상온 열에너지 극저온 엔진을 개략적으로 도시한 단면도로서, 도 1에서는 액상인 극저온 유체(A2)가 유체 탱크(A1)에 저장되어 있고 저장소는 액화 및 기화를 위한 열 교환기(A3)를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 저장소는 덕트(A4)를 매개로 매우 낮은 온도의 압축기(B)의 입구에 연결되며, 압축기의 배기관은 덕트(B5)를 매개로 가스/대기 교환기(C)에 연결되고, 가스/대기 교환기 자체는 덕트(C1)를 매개로 등압 팽창 탱크(19)에 연결되며, 등압 팽창 탱크 자체는 액티브 챔버 체적 릴리프 장치의 입구 덕트(17)에 연결되고, 액티브 챔버 체적 릴리프 장치는 엔진 실린더(2)에서 활주하고 압력 레버에 의해 제어되는 구동 피스톤(1)(상사점에 도시되어 있음)을 포함한다. 구동 피스톤(1)은 구동 피스톤의 샤프트를 매개로 압력 레버의 자유 단부(1A)에 연결되며, 압력 레버는 고정된 샤프트(6) 상에 진자식으로 고정된 다른 아암(4)에 대하여 공통 샤프트(5) 상에 관절식으로 연결된 아암(3)을 포함하고, 실질적으로 아암(4)의 중간에서 아암 상에 배치되는 샤프트(4A)에는 크랭크샤프트 축선(10) 상에서 회전하는 크랭크샤프트(9)의 크랭크 핀(8)에 연결된 제어용 커넥팅 로드(7)가 부착되어 있다. 크랭크샤프트의 회전 중에, 제어용 커넥팅 로드(7)는 하위 아암(4) 및 이 하위 아암의 샤프트(4A)를 통해 압력 레버의 2개의 아암(3 및 4)의 공통 샤프트(5) 상에 힘을 가하며, 이에 따라 구동 피스톤(1)이 엔진 실린더(2)의 축선을 따라 이동할 수 있도록 해주고, 복귀 시에 구동 행정 중에 구동 피스톤(1) 상에 작용하는 힘을 크랭크샤프트(9)에 전달하며, 이에 따라 크랭크샤프트가 회전하도록 한다. 엔진 실린더(2)는 상부에 마련된 통로(12)를 매개로 액티브 챔버 실린더(13)와 연통되며, 액티브 챔버 실린더에서는 커넥팅 로드(15)를 매개로 크랭크샤프트(9)의 크랭크 핀(점선으로 표시됨; 16)에 연결된 압력 피스톤이라 불리는 피스톤(14)이 활주하게 된다. 입구 밸브(18)에 의해 제어되는 입구 덕트(17)는 엔진 실린더(2)를 연결하는 통로(12) 내부로 개방되고, 액티브 챔버 실린더(13)는 준등압으로 유지되며 등압 팽창 탱크(19)로부터 유래되는 압축 가스(기상의 극저온 유체)를 공급할 수 있도록 한다. 엔진 실린더(2)의 상부에는, 배기 덕트(23)가 제작되어 있으며, 이 배기 덕트는 배기 밸브(24)에 의해 제어되고 극저온 기기(E)를 통과한 후에 액화 및 기화용 열 교환기(A3)에 연결되는데, 저온 챔버는 배기의 극저온 유체를 냉각시킬 수 있고 열 교환기(A3)에서의 액화를 위해 극저온 유체를 준비할 수 있다.
엑셀러레이터 버터플라이 밸브(17A)는 일 발생용 체적 릴리프 장치(D)의 입구 덕트 상에 배치되며, 다소간의 작동 가스가 액티브 챔버로 유입되도록 함으로써 엔진을 제어할 수 있도록 한다.
엑셀러레이터 버터플라이 밸브(A7)는 매우 낮은 온도의 압축기의 덕트(A4) 상에 배치되며, 바람직하게는 전자 장치에 의해 제어되어 입구에서 압축기의 출력을 조절할 수 있는 반면 엔진이 취하는 가스의 양에 따라 압력이 감소하는 등압 팽창 탱크(19)에서 요구되는 압력을 유지하도록 한다.
액상의 극저온 유체(A2)는 열 교환기(A3)의 도움을 받아 기상으로 기화되며, 압축기(B)에 의해 덕트(A4)를 통해 흡기되고, 기체 형태이지만 여전히 매우 온도가 낮은 극저온 작동 유체는 이후에 예컨대 30 바아까지 압축되며, 덕트(B5)를 통해 가스/대기 교환기(C)로 방출되는데, 가스/대기 교환기에서 극저온 작동 유체의 온도는 실질적으로 상온까지 상승하여 체적 증가를 유발하고 이에 따라 이어서 입구 덕트(17)를 매개로 액티브 챔버를 구비하는 일 발생용 체적 릴리프 장치(D)에 연결된 등압 팽창 탱크(19)까지 덕트(C1)를 통해 안내되며, 도 2에서의 구동 피스톤(1)은 상사점 위치에서 정지되고 입구 밸브(18)는 이제 막 개방되는 상태이며, 등압 팽창 탱크(19)에 수용된 가스의 압력은 커넥팅 로드(15)를 매개로 크랭크샤프트(9)의 회전을 유발함으로써 일을 발생시키고 액티브 챔버의 실린더를 채우면서 압력 피스톤(14)을 밀어내는데, 이는 압력 피스톤(14)의 전체 행정에 걸쳐 준등압에서 수행되기 때문에 이때의 일(work)은 상당하다.
크랭크샤프트의 회전을 지속시킴으로써, 크랭크샤프트는 구동 피스톤(1)이 하사점까지 이동하도록 할 수 있고 실질적으로 동시에 입구 밸브(18)는 다시 폐쇄되며, 아암(3 및 4) 및 제어용 커넥팅 로드(7)를 포함하는 이동 가능한 장비를 통해 크랭크샤프트(9)를 회전시킴으로써 회전할 때 구동 피스톤(1)을 미는 동안 일 발생용 액티브 챔버 내에 수용된 부하는 이후 팽창된다.
구동 피스톤(1)의 이러한 사이클 중에, 압력 피스톤(14)은 하사점까지 행정을 지속하며 상사점까지 상승 행정을 개시하고, 피스톤의 상승 행정(도 4 참조) 중에 압력 피스톤(14) 및 구동 피스톤(1)이 실질적으로 함께 상사점에 도달하도록 모든 구성요소를 세팅하며, 이 상사점에서 구동 피스톤(1)은 정지하고 압력 피스톤(14)은 새로운 작동 사이클을 재개하기 위해 새로운 하강 행정을 시작한다. 2개의 피스톤(1 및 14)의 상승 행정 중에, 배기 밸브(24)는 개방되어 배기 덕트(23), 극저온 기기(E) 및 열 교환기(E1)를 통한 팽창 중에 고도로 냉각된 극저온 유체를 극저온 유체 저장소(A)로 복귀시키며, 이 극저온 유체 저장소에서 상기 극저온 유체는 열 교환기(A3)를 통과하는 중에 액화되고 새로운 사이클을 재개하기 위해 탱크로 복귀한다.
도 5는 본 발명에 따른 열역학적 사이클의 온도/체적 다이어그램을 나타내는데, 이때 수직축 상에는 온도가 표시되어 있으며 수평축 상에는 사용되는 가스 체적이 표시되어 있고, 사이클과 관련된 다양한 세그먼트, 즉 기화(세그먼트 V) 이후의 작동 압력까지의 압축(세그먼트 Com)이 표시되어 있다. 가스는 이후에 등압에서(세그먼트 EthA에서) (준)상온까지 변하여 이후에 일을 발생시키면서 준등온상태로 등압에서 엔진의 액티브 챔버로 전달되고(세그먼트 W) 폴리트로픽(polytropic)에 따라 팽창하며(세그먼트 W1) 일을 발생시키고 냉각되며 주위 압력에 더 가까워지는데, 이에 따라 이후에 극저온 기기 내부로 유입되어 고도로 냉각된 후(세그먼트 REFR) 액화되고(L) 열역학적 사이클을 재개할 수 있도록 한다.
본 발명은 설명하고 제시한 예시적인 실시예로 한정되지 않으며, 설명한 재료, 제어 수단, 장치는 지금까지 설명한 바와 같은 발명을 바꾸지 않고도 동일한 결과를 얻는 등가물의 범위 내에서 변할 수 있다.

Claims (16)

  1. 메인 구동 피스톤 위에 위치하는 공간을 채울 때 일을 발생시킬 수 있는 수단이 마련되고 이 공간에 연결되며 통로를 통해 영구적으로 접촉하는, 가변 체적으로 이루어진 액티브 챔버 체적 릴리프 장치와, 압축기를 사용하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진으로서,
    - 작동 가스는, 폐쇄 사이클에서 사용되고 액상으로 저장되며 기상으로 작동하고 액상으로 극저온 유체 저장소(A)로 복귀하는 극저온 유체이며,
    - 초기에 액체인 작동 가스는 매우 낮은 온도에서 기상으로 기화되고 기화된 작동 가스는 압축기(B)의 덕트(A4)에 공급되는데, 기화된 작동 가스는 이 압축기에서 작동 압력으로 압축되며,
    - 압축기(B)의 출구에서 여전히 매우 낮은 온도이며 압축된 이러한 작동 가스는 작동 압력으로 등압 팽창 탱크(19) 내에 배출되고, 대기와의 열교환에 의해 상온이 되어, 상온으로부터의 열에너지의 전달 효과 하에서 온도가 증가하고, 등압 관계식 V1/V2 = T1/T2에 따라 동일한 비율로 체적이 증가하며,
    - 여전히 작동 압력으로 압축되어 있고 상온인 상기 작동 가스는, 이후에 액티브 팽창 및 릴리프 챔버를 포함하는 일 발생용 체적 릴리프 장치(D)로 유입되고,
    - 상기 작동 가스는 릴리프 후에 상기 일 발생용 체적 릴리프 장치(D)로부터 매우 낮은 온도에서 다시 배기되면, 극저온 유체의 극저온 유체 저장소(A)를 향해 배출되고, 극저온 유체 저장소에서 액화되어 새로운 사이클을 재개하도록 하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상온 열에너지 등압 극저온 엔진의 열역학적 사이클은,
    - 극저온 유체의 기화,
    - 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축,
    - 상온에 의한 등압 재가열,
    - 일을 발생시키는 준등온 열에너지 전달,
    - 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프,
    - 저장소 내로의 폐쇄 사이클 배기, 및
    - 저장소로 복귀하는 가스의 액화
    의 7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 저장소 내에서 액상인 유체의 기화는 열 교환기(A3)를 사용한 가열에 의해 달성되고, 이때 준기상이며 체적 릴리프 장치(D)의 배기 덕트(23)로부터 복귀되고 상기 가열을 행하기에 충분한 온도인 상기 극저온 유체가 냉각 및 액화 중에 극저온 유체 저장소(A)에 있는 액상의 극저온 유체의 일부를 가열하고 기화시키는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  4. 제3항에 있어서, 극저온 유체의 액화-기화용 열 교환기는 탱크 내부에 침지된 코일로 이루어지며, 엔진의 배기로부터 유래하는 유체는 극저온 유체 저장소(A)에서 액상인 유체를 기화시키기 위해 필요한 열을 방출하면서 냉각 및 액화를 마무리하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  5. 제3항에 있어서, 극저온 기기(E)는 체적 릴리프 장치(D)의 배기 덕트(23)와 극저온 유체 저장소(A) 사이에 배치되어, 작동 가스가 열 교환기에서의 액화를 위해 극저온 유체 저장소(A)의 열 교환기(A3)에 유입되기에 앞서 기상 또는 준기상으로 배기 덕트(23)에서 배출되는 작동 가스의 온도를 조절할 수 있도록 하며, 체적 릴리프 장치의 배기 덕트(23)에서 기상 또는 준기상인 유체는 이후에 극저온 기기(E)의 저온 챔버에 배치된 열 교환기(E1)를 통과하는 동안 냉각되는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  6. 제5항에 있어서, 극저온 기기(E)는, 자기장의 효과 하에서 특정 재료를 가열하고 자기장이 소멸되거나 자기장이 변화된 이후에 특정 재료의 온도를 그 초기 온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 성질을 이용하는 자기 열량 효과(magnetic-calorific effects)를 이용함으로써 작동되는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  7. 제6항에 있어서, 상온 열에너지 등압 극저온 엔진의 열역학적 사이클은
    - 극저온 유체의 기화,
    - 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축,
    - 상온에 의한 극저온 유체의 등압 재가열,
    - 일을 제공하는 준등온 열에너지 전달,
    - 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프,
    - 저장소 내부로의 폐쇄 사이클 배기,
    - 극저온 기기에서의 냉각, 및
    - 저장소로 복귀하는 가스의 액화
    의 8단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  8. 제1항에 있어서, 등압 팽창 탱크(19)는 대용량의 작동 압력 저장소를 포함하고, 이 작동 압력 저장소 내에 수용된 작동 가스는, 대기와 작동 압력 저장소 케이스의 열교환 표면적, 작동 압력 저장소의 체적 및 상기 작동 압력 저장소에서의 저장 시간에 따라 상온으로 유지되며, 압축기로부터 유래하는 압축된 작동 가스는 자연적으로 상기 작동 압력 저장소에 이미 수용된 작동 가스와 상온에서 혼합됨으로써 상온이 되는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  9. 제6항에 있어서, 상기 등압 팽창 탱크(19)의 케이스는, 대기와 작동 압력 저장소에 수용된 작동 가스 사이의 열교환을 촉진하기 위해 외부 열교환 수단, 내부 열교환 수단, 또는 양자 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  10. 제7항에 있어서, 하나 이상의 가스/대기 교환기(C)는 압축기(B)와 등압 팽창 탱크(19) 또는 작동 압력 팽창 저장소 사이에 설치되거나, 상기 등압 팽창 탱크(19)와 일 발생용 체적 릴리프 장치(D) 사이에 설치되거나, 또는 양자 모두에 설치되는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  11. 제1항에 있어서, 작동 가스 가열 장치는, 작동 가스가 엔진에 유입되기 이전에 상온보다 높은 온도를 얻을 수 있도록 배치되고, 이때 온도는 기상인 극저온 유체의 연소에 의해 손상되지 않도록 열 교환기를 통해 외부-외부 형태(external-external type)의 연소실에서 상승되는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  12. 제8항에 있어서, 상온 열에너지 등압 극저온 엔진의 열역학적 사이클은
    - 극저온 유체의 기화,
    - 매우 낮은 온도에서의 극저온 유체의 압축,
    - 상온에 의한 극저온 유체의 등압 재가열,
    - 재가열 및 상온을 초과하는 온도 증가,
    - 일을 제공하는 준등온 열에너지 전달,
    - 온도 저하를 수반하며 일을 제공하는 폴리트로픽 릴리프,
    - 저장소로의 폐쇄 사이클 배기,
    - 극저온 기기에서의 냉각, 및
    - 탱크로 복귀하는 가스의 액화
    의 9단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  13. 제1항에 있어서, 엑셀러레이터 버터플라이 밸브(17A)가 일 발생용 체적 릴리프 장치(D)의 입구 덕트(17) 상에 배치되어 액티브 챔버, 엔진 실린더(2), 또는 양자 모두의 내부로 다소간 작동 가스가 유입되도록 함으로써 엔진을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
  14. 제1항에 있어서, 엑셀러레이터 버터플라이 밸브(A7)가 매우 낮은 온도의 압축기(B)의 입구에 배치되며, 전기 장치에 의해 제어되어 압축기(B)의 입구 속도를 조절할 수 있도록 하는 반면, 체적 릴리프 장치(D)가 취하는 가스의 양에 따라 감소하는 경향을 갖는 등압 팽창 탱크(19)에서의 요구 압력을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 상온 열에너지 등압 극저온 엔진.
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