KR102525744B1 - 재생 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

재생 냉각 시스템(100)은 재생 열 엔진(1)에 제공되며, 가스 감압기(78)를 둘러싸는 한편 챔버(79)와 감압기(78) 사이의 가스 유동 공간(80)을 남기는 냉각 챔버(79)를 포함하되; 가스 감속기(78)로부터 배출된 작동 가스(81)는 냉각을 위해 재생 열교환기(5)로 복귀하기 전에 상기 공간(80) 내에서 유동되며, 상기 가스(81)의 열의 많은 부분이 재생 열 엔진(1)의 열역학적 사이클 내로 재도입된다.

Description

재생 냉각 시스템

본 발명은 특히 본 출원인이 소유한 2015년 2월 25일자 특허 출원 FR 15 51593 및 마찬가지로 본 출원인이 소유한 2016년 9월 1일자로 공개된 특허 공개 US 2016/0252048 A1의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진(transfer-expansion and regeneration heat engine)의 개선을 구성하는 재생 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 원심 압축기 및 터빈에 의해 실시되는 브레이턴 재생 사이클(Brayton regeneration cycle)은 익숙하다.

실시예의 이러한 모드에 따르면, 사이클은 제어된 점화 엔진의 효율보다 상당히 높은 효율을 제공하는 엔진을 유발한다. 효율은 고속 디젤 엔진의 효율에 필적한다. 그러나, 이것은 예를 들어 해상 추진 또는 고정된 전기 생산에서 발견되는 매우 큰 변위를 가지는 저속 2-행정 디젤 엔진의 효율보다는 적다.

매우 적당한 전체적인 효율 외에, 브레이턴 재생 사이클을 사용하는 원심 압축기 및 터빈을 구비한 엔진은 그의 동력 및 회전 속도의 비교적 좁은 범위에서 그의 최상의 효율을 전달한다. 더욱이, 동력 조절에서의 응답 시간은 길다. 이러한 다양한 이유 때문에, 그 적용 분야는 제한적이며, 육상 운송, 특히 자동차 및 트럭에 적응하기가 어렵다.

특허 출원 FR 15 51593의 전달-팽창 및 재생 열 엔진은 이러한 결점을 해결하기 위해 제안되었다. 이러한 엔진은 더 이상 원심 압축기와 터빈에 의해서가 아니라, 용적 측정 기계(volumetric machine)에 의해 또는 적어도 "팽창기 실린더(expander cylinder)" 주위에 형성된 용적 팽창기(volumetric expander)에 의해 재생된 브레이턴 사이클을 실시하는 특별한 특징을 가진다.

특허 출원 FR 15 51593의 도면에서, 상기 팽창기 실린더의 각각의 단부가 팽창기 실린더 헤드에 의해 폐쇄된다는 것을 유의해야 한다. 또한, 상기 실린더는 가변 체적의 2개의 전달-팽창 챔버를 형성하는 이중 작동 팽창기 피스톤을 수용한다. 상기 피스톤은 친숙한 커넥팅 로드 및 크랭크 샤프트를 통해 동력 인출 샤프트(power takeoff shaft)에 작업을 전달하기 위해 팽창기 실린더에서 변위될 수 있다.

특허 출원 FR 15 51593의 요지인 본 발명에 의해 청구된 이점 중에서, 작업으로의 열의 전환 효율은 어떠한 작동 원리의 대안적인 종래의 내연 기관보다 훨씬 높고, 동일한 작업을 위한 수단은 상기 종래의 내연 기관보다 낮은 연료 소비 및 마찬가지로 관련된 이산화탄소의 보다 낮은 배출을 제공하였다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 특허 출원 FR 15 51593에 명확하게 언급된 바와 같이, 적어도 3개의 조건이 충족될 필요가 있다.

제1 조건은 용적 팽창기가 효과적으로 단일 실린더로 구성되는 것이며, 이것은 이러한 기계를 다루는 종래 기술의 교시가 아니다. 예로서, 2003년 12월 11일자 특허 US 2003/228237 A1은 실제로 압축기, 재생 열교환기, 열원, 및 팽창기를 포함하지만, 팽창기는 실린더가 아니라, 대신에 발명자들은 "제로터(gerotor)"로 부른다.

제2 조건은 팽창기 실린더에서의 가스 유입구 및 배출구가 적절한 위상의 흡입 및 배기 계량 밸브에 의해 조절되는 것이며, 이것은 특허 출원 FR 15 51593의 도면에 의해 도시된 압력 대 용적 다이어그램을 야기한다.

제3 조건은 피스톤과 실린더 사이의 밀봉 디바이스가 매우 높은 온도에서 작동할 수 있다는 것이다.

특허 출원 FR 15 51593에 기술된 전달-팽창 및 재생 열 엔진은 팽창기 피스톤에서 고안된 환형 그루브에 있는 연속 천공 팽창 및 확장 가능한 링에 의해 형성된 혁신적인 공기 쿠션 세그먼트를 제안하는 것에 의해 이러한 제3 조건을 충족시킨다는 것을 유의하여야 할 것이다. 상기 링은 가압 유체 공급원에 연결된 압력 분배 챔버를 상기 그루브와 함께 한정한다.

팽창기 실린더에 직접 접촉하지 않는 이러한 새로운 밀봉 디바이스는 고온에서 실린더의 작동을 가능하게 하는 한편, 상기 실린더를 폐쇄하는 실린더 헤드의 흡입 및 배기 계량 밸브는 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 효율을 최대화하는 것을 가능하게 한다.

공기 쿠션 세그먼트에 기초한 혁신적인 밀봉 디바이스는 특허 출원 FR 15 51593의 메인 청구항에 종속하는 항에 의도적으로 배치되었다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 발명자는 이러한 방식으로 그의 발명을 제시하는 것에 의해, 상기 세그먼트가 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 핵심 요소로서 상기 특허 출원에서 제시되었을지라도, 상기 세그먼트를 대체할 수 있는 다른 밀봉 해결책을 배제하지 않았다.

특허 출원 FR 15 51593에 명확하게 언급된 바와 같이, 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 효율을 가능한 높게 하기 위하여, 팽창기 실린더의 내부 벽은 상기 실린더 내로 도입된 고온 가스가 이러한 벽을 접촉할 때 냉각되지 않도록, 또는 적어도 이러한 벽에 의해 가능한 적게 냉각되도록 고온으로 될 필요가 있다. 이것은 적어도 팽창기 실린더의 내부 벽에 대해, 그리고 상기 실린더와 협력하는 실린더 헤드의 내부 벽에 대해 적절하게 홀딩된다.

Sadi Carnot에 의해 제시된 엔진 열역학의 원리에 따르면, 특허 출원 FR 15 51593은 팽창기 실린더 내로 도입되는 가스의 온도가 높음에 따라서, 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 효율이 더 크다는 것을 제안한다.

이것은 특허 출원 FR 15 51593이 팽창기 실린더를 요구하고, 팽창기 실린더의 실린더 헤드 및 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 팽창기 피스톤이 알루미나 기반의 세라믹, 지르콘, 또는 탄화규소와 같은 매우 높은 온도에 견딜 수 있는 재료로 만들어지는 이유이다.

전달-팽창 및 재생 열 엔진의 고온에서의 고온 부분 및 구성 요소는 또한 상기 엔진의 개선을 위한 특허의 요지였다. 따라서, 이중 작동 및 적응성 지지 팽창기 실린더를 다루는 본 출원인이 소유한 2015년 9월 14일자 특허 출원 FR 15 58585가 인용될 수 있으며, 상기 실린더는 고온에서 작동할 수 있고, 실린더가 부착되는 변속기 케이스의 열팽창과 다른 열팽창에 견딜 수 있어야 한다. 동일한 관점에서, 본 출원인이 소유하고, 프리스트레스된 조립체로 구성되고 온도에서 작동할 수 있는 이중 작동 피스톤을 다루는 2015년 9월 14일자 특허 출원 FR 15 58593을 또한 유의해야 할 것이다.

방금 인용된 특허 출원 FR 15 58585 및 FR 15 58593이 동일한 장치에서 고온 부분 및 저온 부분의 부품의 존재를 다루는 매우 견고한 해결책을 제안한다는 것을 유의해야 한다.

특히, 상기 특허에서 제안된 구성은 고온 부분으로부터 이러한 부분이 협력하는 저온 부분으로 열이 이동하는 것을 상당히 방지한다. 이것은 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 증가된 효율을 보장한다.

한편, 특허 출원 FR 15 58585 및 FR 15 58593에서 제안된 개선은 상기 엔진의 팽창기 실린더 내로 도입되는 가스의 온도가 예를 들어 1300℃이면, 그 실린더의 내부 벽의 온도가 국부적으로 예를 들어 1300℃에 근접할 것이며, 이러한 벽의 평균 온도는 예를 들어 1000℃에 접근한다는 사실은 바꾸지 못한다.

따라서 이들 가스의 온도는 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 팽창기 실린더의 고온 부분을 구성하는 재료에 의해 견뎌야만 하는 온도를 직접 결정한다. 그러므로, 간접적으로, 이들 재료의 내열성은 그 엔진의 최대 가용 효율을 결정한다.

또한, 내식성 및 내산화성이면서 이러한 동일한 온도에서 상승된 기계적 강도를 제공할 필요가 있음에 따라서, 매우 높은 온도에 견딜 수 있는 당해 재료가 비교적 적다는 것을 또한 유의하여야 할 것이다.

상기 재료는 주로 알루미나, 지르콘, 탄화규소 또는 질화규소와 같은 세라믹이다. 이러한 재료는 경질이며 가공하기가 어렵다. 결과적으로, 완제품의 판매 가격이 비교적 상승되고, 이것은 특허 출원 FR 15 51593에 기술된 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 자동차 산업에 의한 채택에 대한 장애물이다. 사실, 이러한 산업은 소비자 시장을 지향하고 있기 때문에, 가능한 낮을 필요가 있는 제조 판매 가격에 매우 민감하다.

그러므로, 이러한 엔진의 팽창기 실린더의 내부 벽이 예를 들어 700 내지 900℃의 최고 온도에서 유지되는 것이 이상적이다. 실제로, 이러한 온도에서, 주철 또는 스테인리스강 또는 내화물과 같은, 세라믹보다 저렴하게 생산 및 기계 가공되는 일반적인 재료가 팽창기 실린더를 제조하는데 사용될 수 있다. 실린더 헤드와 이러한 실린더와 협력하는 각각의 플레넘(plenum) 및 덕트에 대해서도 동일하게 적용된다.

그러나, 한편으로는 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 팽창기 실린더로 진입한 고온 가스의 온도의 하강을 방지하고, 다른 한편으로는 이러한 가스의 열이 이러한 가스가 접촉하는 그 실린더의 보다 차가운 벽을 통해 순수한 손실로서 배출되도록 허용하는 것은 피할 수 없다. 사실, 이러한 두 가지 작용은 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 최종 효율을 상당히 감소시키는 해로운 결과를 가졌을 것이다.

그러므로, 현재의 기술 상태에서, 매우 높은 효율을 가지지만 비싸고 제조하기 어려운 전달-팽창 및 재생 열 엔진과, 동일한 원리에 기초하고 제조하는데 저렴하지만 효율성이 크게 떨어지는 대가를 치러야 하는 재료에 의지하는 엔진 사이에서 선택이 필요하다. 이것은 딜레마를 만든다.

이러한 딜레마를 해결하기 위해, 하나의 특정 실시예에서의 본 발명의 재생 냉각 시스템은,

특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 팽창기 실린더의 내부 벽과 그 실린더 헤드의 온도를 상당히 낮추는 것은 상기 열 엔진의 전체 효율을 상당히 감소시킴이 없이 그 실린더 및 실린더 헤드를 제조하는데 낮은 판매 가격의 재료를 사용하는 것을 가능하게 하며;

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템의 부재 시에 - 세라믹과 같이 비싸고 복잡한 재료보다, 팽창기 실린더 내로의 가스 흡입의 보다 높은 온도를 가능하게 하며;

세라믹과 같은 비싸고 복잡한 재료를 이용하는 동일한 엔진보다 저렴한 판매 가격의 재료를 사용하여 보다 높은 최종 에너지 효율을 가지는, 특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진을 제공한다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은 본 출원인이 소유한 특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진에 주로 적용된다는 것을 이해하여야 한다.

그러나, 이러한 시스템은 또한, 상기 팽창기가 원심, 용적형, 또는 임의의 다른 유형이든간에, 또한 임의의 형태의 주어진 재생기와 협력하면, 브레이턴 재생 사이클을 가지는 임의의 다른 엔진의 팽창기에 제한없이 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 상세한 설명, 및 메인 청구항에 직접 또는 간접적으로 종속되는 종속항에서 설명되었다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은 재생 열 엔진을 위해 설계되며, 재생 열 엔

은 압축기에 의해 이전에 압축된 작동 가스가 예열되도록 순환하는 고압 재생 덕트를 가지는 적어도 하나의 재생 열교환기를 포함하며, 상기 덕트의 출구에 있는 동안, 상기 가스는 가스 팽창기 내로 도입되기 전에 열원에 의해 과열되고, 상기 가스 팽창기에서, 상기 가스는 동력 인출 샤프트에서 작업을 수행하도록 팽창되고, 상기 가스는 그런 다음 상기 가스 팽창기의 출구에서 배출되어 재생 열교환기의 저압 재생 덕트 내로 도입되고, 상기 가스는 - 상기 덕트에서 순환하는 것에 의해 - 고압 재생 덕트에서 순환하는 작동 가스로 그의 잔류열의 상당 부분을 전달하며, 상기 시스템은,

가스 팽창기 및/또는 열원 및/또는 상기 열원을 상기 팽창기에 연결하는 고온 가스 흡입 덕트를 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 냉각 챔버로서, 한편으로는 상기 챔버 및/또는 다른 한편으로는 팽창기 및/또는 상기 열원 및/또는 상기 덕트 사이의 가스 순환 공간을 개방된 상태로 남기는, 상기 적어도 하나의 냉각 챔버;

가스 팽창기의 출구에 직접 또는 간접적으로 연결되고, 상기 출구를 통해 상기 팽창기로부터 배출되는 작동 가스의 일부 또는 전부가 가스 순환 공간으로 진입할 수 있도록 하는 적어도 하나의 챔버 입구 포트;

저압 재생 덕트에 직접 또는 간접적으로 연결되고, 작동 가스가 상기 저압 덕트 내로 도입되기 전에 가스 순환 공간을 떠날 수 있도록 하는 적어도 하나의 챔버 출구 포트를 포함한다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은, 유효 단면이 유동 제어 밸브에 의해 조절되는 챔버 입구 덕트에 의해 가스 팽창기의 출구에 연결된 챔버 입구 포트를 포함한다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은, 유효 단면이 유동 제어 밸브에 의해 조절되는 챔버 출구 덕트에 의해 저압 재생 덕트에 연결된 챔버 출구 포트를 포함한다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은 챔버 바이패스 덕트에 의해 저압 재생 덕트에 연결되는 가스 팽창기의 출구를 포함한다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은 유동 제어 밸브에 의해 조절되는 챔버 바이패스 덕트의 유효 단면을 포함한다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템은 열 차폐물(heat shield)로 코팅된 냉각 챔버의 외부를 포함한다.

첨부된 도면에 대해 비제한적인 예로서 주어지는 다음의 상세한 설명은 본 발명, 그의 특성, 및 본 발명이 제공할 수 있는 이점에 대한 더욱 양호한 이해를 가능하게 할 것이다:
도 1은 본 출원인이 소유한 특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진에서 실시될 수 있는 것과 같은 본 발명에 따른, 그리고 바이패스 덕트 및 챔버 출구 덕트의 유효 단면이 유동 제어 밸브에 의해 조절되도록, 가스 팽창기의 출구가 챔버 바이패스 덕트에 의해 저압 재생 덕트에 연결되는 상기 시스템의 하나의 변형예에 따른 재생 냉각 시스템을 나타내는 개략 측면도이다.

도 1에서, 재생 냉각 시스템(100), 그의 구성 요소, 그 변형 및 그 부속품의 다양한 상세가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 재생 냉각 시스템(100)은 재생 열 엔진(1)을 위해 제공되며, 재생 열 엔진은 압축기(2)에 의해 이전에 압축된 작동 가스(81)가 순환하여 거기에서 가열되는 고압 재생 덕트(6)를 가지는 적어도 하나의 재생 열교환기(5)를 포함한다.

고압 재생 덕트(6)를 떠날 때, 상기 가스(81)는 가스 팽창기(78)로 도입되기 전에 열원(12)에 의해 과열되며, 가스는 가스 팽창기에서 동력 인출 샤프트(17)에서 작업을 생성하도록 팽창된다.

작동 가스(81)는 그런 다음 가스 팽창기(78)로부터 배출되어, 재생 열교환기(5)의 저압 재생 덕트(7) 내로 도입되며, 상기 가스(81)는 - 상기 덕트(7)에서 순환하는 것에 의해 - 고압 재생 덕트(6)에서 순환하는 작동 가스(81)에 그의 잔류열의 상당 부분을 전달한다.

이러한 맥락에서, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)이, 가스 팽창기(78) 및/또는 열원(12) 및/또는 상기 열원(12)을 상기 팽창기(78)에 연결하는 고온 가스 흡입 덕트(19)를 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 냉각 챔버(79)로서, 한편으로는 상기 챔버(79) 및/또는 다른 한편으로는 상기 팽창기(78) 및/또는 상기 열원(12) 및/또는 상기 덕트(19) 사이의 가스 순환 공간(80)을 개방된 상태로 남기는, 상기 적어도 하나의 냉각 챔버를 포함하며, 작동 가스(81)가 이러한 공간(80)에서 순환할 수 있다는 것이 도 1에서 명확히 도시되어 있다.

냉각 챔버(79)는 인발 또는 하이드로-성형 스테인리스강 플레이트로 만들어질 수 있고, 용접, 나사 결합 또는 리벳팅에 의해 서로 조립된 여러 부분으로 실현될 수 있으며, 그 후 챔버는 챔버가 둘러싸는 구성 요소(78, 12, 19)에 직접 또는 간접적으로 연결된다는 것을 유의하여야 할 것이다.

도 1은, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)이 가스 팽창기 출구(78)에 직접 또는 간접적으로 연결된 적어도 하나의 챔버 입구 포트(82)를 더 포함하고, 챔버 입구 포트에 의해, 상기 팽창기(78)로부터 배출된 작동 가스(81)의 일부 또는 전부는 상기 출구를 통해 가스 순환 공간(80)에 진입할 수 있다는 것을 도시한다.

다시, 도 1에서, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)은 저압 재생 덕트(7)에 직접 또는 간접적으로 연결되는 적어도 하나의 챔버 출구 포트(83)를 포함하며, 챔버 출구 포트에 의해, 작동 가스(81)가 상기 저압 덕트(7) 내로 도입되기 전에 가스 순환 공간(80)을 떠날 수 있다는 것을 유의해야 할 것이다.

바람직하게는, 가스(81)가 챔버 출구 포트(83)에 의해서만 이러한 공간(80)을 떠날 수 있을지라도, 작동 가스(81)가 챔버 입구 포트(82)에 의해서만 가스 순환 공간(80) 내로 진입할 수 있도록, 냉각 챔버(79)는 가스 팽창기(78) 및/또는 열원(12) 및/또는 고온 가스 진입 덕트(19)를 밀착된 형태로 둘러싼다는 것을 유의해야 할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 하나의 변형예에 따르면, 챔버 입구 포트(82)는, 유효 단면이 유동 제어 밸브(85)에 의해 조절되는 챔버 입구 덕트(84)에 의해 가스 팽창기(78)의 출구에 연결될 수 있으며, 유동 제어 밸브는 - 그의 위치에 의존하여 - 상기 덕트(84)에서의 작동 가스(81)의 순환을 방지, 허용 또는 제한할 수 있다.

도 1에 도시된 또 다른 변형예로서, 챔버 출구 포트(83)는 유효 단면이 유동 제어 밸브(85)에 의해 조절되는 챔버 출구 덕트(86)에 의해 저압 재생 덕트(7)에 연결될 수 있으며, 유동 제어 밸브는 - 그의 위치에 의존하여 - 상기 챔버 출구 덕트(86)에서의 작동 가스(81)의 순환을 방지, 허용 또는 제한할 수 있다.

도 1은 또한, 가스 팽창기(78)의 출구가 챔버 바이패스 덕트(87)에 의해 저압 재생 덕트(7)에 연결될 수 있으며, 이것은 가스 팽창기(78)의 출구로부터 배출된 작동 가스(81)가 가스 순환 공간(80)을 통해 이동함이 없이 이러한 출구로부터 저압 재생 덕트(7)로 직접 가는 것을 가능하게 하는 것으로 이루어진, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 다른 변형예를 도시한다.

이러한 후자의 변형예에 따르면, 챔버 바이패스 덕트(87)의 유효 단면은 유동 제어 밸브(85)에 의해 선택적으로 조절될 수 있으며, 유동 제어 밸브는 - 그의 위치에 - 의존하여 상기 바이패스 덕트(87)에서 작동 가스(81)의 순환을 방지, 허용 또는 제한할 수 있다.

도 1에서, 유익하게, 냉각 챔버(79)의 외부가, 당업자에게 공지된 임의의 단열 물질로 형성될 수 있고 - 냉각 챔버(79) 외에 - 재생 열 엔진(1)을 만드는 다양한 고온 덕트 및 요소를 코팅할 수 있는 열 차폐물(88)로 코팅될 수 있다는 것을 유의하여야 할 것이다.

이러한 경우에, 상기 열 차폐물(88)은 재생 열 엔진(1)의 효율에 바람직하지 않은 임의의 과도한 열 손실을 방지하기 위해 제공된다는 것을 유의하여야 할 것이다.

발명의 기능:

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 기능은 도 1을 고려하면 용이하게 이해될 것이다.

이러한 기능을 설명하기 위해, 본 발명자들은, 적용되는 재생 엔진(1)이 본 출원인이 소유한 2015년 2월 25일자 특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진을 구성할 경우, 본 명세서에서, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 샘플 실시예를 사용할 것이다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 재생 엔진(1)은 여기에서 압축기 입구 덕트(3)를 통해 대기로부터 작동 가스(81)를 도입하는 특히 저압 압축기(35)로 만들어진 2단 압축기(2)를 포함하며, 상기 저압 압축기(35)의 출구는 중간 압축기 냉각기(37)를 통해 고압 압축기(36)의 입구에 연결된다.

도 1은 고압 압축기(36)의 출구에서, 이 경우에 그 자체로 익숙한 역류 열교환기(41)인 재생 열교환기(5)를 포함하는 고압 재생 도관(6) 내로 작동 가스(81)가 배출되는 것을 도시한다. 여기에서, 작동 가스(81)는 20 bar의 압력 및 200℃의 온도에서 고압 압축기(36)로부터 배출되는 것으로 가정해야 한다.

고압 재생 덕트(6)에서 순환하는 것에 의해, 작동 가스(81)는 인접한 저압 재생 덕트(7)를 순환하는 고온의 작동 가스(81)에 의해 650℃의 온도로 예열된다.

명료성을 위해, 본 발명자들은, 재생 열교환기(5)의 효율이 100%인 것으로 간주할 것이다. 이것은 저압 재생 덕트(7)에서 순환하는 작동 가스(81)가 650℃의 온도에서 저압 재생 덕트로 진입하고, 엔진 출구 덕트(33)를 통해 대기로 배출되기 전에 200℃의 온도에서 그 덕트(7)를 떠나는 반면에, 고압 재생 덕트(6) 내를 순환하는 작동 가스(81)가 200℃의 온도에서 고압 재생 덕트에 진입하고 650℃의 온도에서 떠난다는 것을 의미한다.

이어서, 상기 작동 가스(81)는, 고압 재생 덕트(6)를 떠날 때, - 이러한 샘플 실시예에 따르면 - 연료 버너(38)로 구성되는 열원(12)에 의해 1400℃로 과열된다.

작동 가스(81)는, 상기 버너(38)를 떠날 때, 고온 가스 흡입 덕트(19)에 의해, 사실 특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 팽창기 실린더(13)인 가스 팽창기(78)로 보내진다.

고온 가스 흡입 덕트(19)가 바람직하게는 팽창기 실린더의 헤드(14)에 대한 그의 연결부까지 세라믹으로 만들어지고, 팽창기 실린더(13)의 한쪽 단부 또는 다른 쪽 단부를 덮는다. 그러므로, 이러한 덕트(19)의 온도는 대략 1400℃와 동일하게 유지되어서, 상기 덕트(19)에서 순환하는 작동 가스(81)는 그 전체 경로를 따라서 그 온도를 유지한다.

그러므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 팽창기 실린더(13)의 각각의 단부는 이중 작동 팽창기 피스톤(15)과 함께 2개의 전달-팽창 챔버(16)를 한정하도록 팽창기 실린더 헤드(14)에 의해 덮인다. 또한, 각각의 실린더 헤드가 흡입 계량 밸브(24) 및 배기 계량 밸브(31)를 가진다는 것을 유의하여야 할 것이다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100) 때문에, 전달-팽창 및 재생 열 엔진은 고온이며, 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)는 700℃에 근접한 온도로 유지된다. 이것은 스테인리스강 또는 실리콘 페라이트계 주철과 같은 세라믹보다 저렴하고 보다 일반적인 재료로 상기 실린더(13) 및 상기 실린더 헤드(14)를 구성하는 것을 가능하게 한다.

이중 작동 팽창기 피스톤(15)에 관해 말하자면, 그리고 본 발명의 재생 냉각 시스템(100)의 비제한적인 예에 따르면, 이것은 질화규소로 만들어진다. 상기 피스톤(15)의 평균 작동 온도는 800℃이다.

도 1에서, 상기 피스톤(15)은 기계식 전달 수단(19)에 의해 동력 인출 샤프트(17)에 연결되고, 상기 수단(19)은 특히 크랭크(43)와 관절로 연결된 커넥팅 로드(42)로 구성된다는 것을 유의하여야 할 것이다.

그러므로, 20 bar의 압력 및 1400℃의 온도까지 상승된 작동 가스(81)는 대응하는 흡입 계량 밸브(24)에 의해 하나 또는 다른 전달-팽창 챔버(16) 내로 도입된다.

흡입 계량 밸브(24)에 의해 개방된 상태로 홀딩되는 오리피스를 통과하는 상기 가스(81)는 특히 통과하는 팽창기 실린더의 헤드(14)의 내부 벽, 및 이중 작동 팽창기 피스톤(15)에 의해 거기에서 팽창되는 목적을 위해 그 안으로 도입되는 전달-팽창 챔버(16)의 내부 벽과 접촉할 때 약간 냉각되기 시작한다. 상기 벽은 - 위에서 나타낸 바와 같이 - 재생 냉각 시스템(100)에 의해 700℃에서 유지된다.

이 시점에서, 본 발명자들은, 작동 가스(81)는 팽창기 실린더의 헤드(14)의 내부 벽 및 전달-팽창 챔버(16)의 벽을 세정하는 것에 의해 평균 100℃ 손실되는 것으로 가정할 것이다. 결과적으로, 작동 가스(81)의 온도는 고온 가스 흡입 덕트(19)로부터 전달-팽창 챔버(16)로 이동하는 동안 1400℃에서 1300℃로 떨어졌다.

필요한 작동 가스(81)의 양이 대응하는 흡입 계량 밸브(24)에 의해 전달-팽창 챔버(16) 내로 효과적으로 도입되었을 때, 흡입 계량 밸브는 폐쇄되고, 이중 작동 팽창기 피스톤(15)은 상기 가스(81)를 팽창시킨다. 이렇게 하여, 피스톤(15)은는 상기 가스(81)에 의해 생성된 작업을 수확하고, 이러한 작업을 특히 커넥팅 로드(42) 및 크랭크(43)를 통해 동력 인출 샤프트(17)에 전달한다.

작동 가스(81)가 이중 작동 팽창기 피스톤(15)에 의해 팽창되었으면, 이러한 가스(81)의 압력은 약 1 bar까지 강하하였다. 이러한 가스(81)의 온도도 마찬가지로 1300℃에서 550℃로 변하였다.

이중 작동 팽창기 피스톤(15)은 그 하사점에 도달하면, 배기 계량 밸브(31)는 개방되고, 상기 피스톤(15)은 상기 가스(81)를 챔버 입구 포트(82)로 보내는 챔버 입구 덕트(84) 내로 상기 가스(81)를 배출한다.

작동 가스(81)는 그런 다음 가스 순환 공간(80)으로 진입하고, 이러한 공간을 통해 챔버 출구 포트(83)로 안내된다. 이렇게 하여, 상기 가스(81)는 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 고온의 외부 벽을 세정한다. 상기 외부 벽은 전체적으로 또는 부분적으로 거칠도록 설계되고, 및/또는 가스(81)가 이러한 벽과 접촉하여 순환할 때 작동 가스(81)가 상기 벽으로부터 많거나 적은 열을 운반하도록 강제 대류를 생성하기 위해 기하학적 패턴으로 산재된다.

더욱이, 냉각 챔버(79)의 내부 기하학적 형상 및/또는 팽창기 실린더(13)의 외부 기하학적 형상 및/또는 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 외부 기하학적 형상은 유익하게 작동 가스(81)의 전부 또는 일부가 챔버 입구 포트(82)로부터 가스 순환 공간(80)을 통해 챔버 출구 포트(83)로의 하나 또는 동시에 다수의 경로를 따르도록 강제하는 채널을 형성할 수 있다.

작동 가스(81)의 강제 대류 및 강제 경로의 이중 전략은 처음에 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 고온의 외부 벽으로부터 상기 가스(81)로 열을 내보내는 구역을, 다음으로 상기 가스(81)에 의해 세정되는 상기 구역의 연대순을, 세 번째 및 마지막으로 상기 가스(81)의 경로를 따르는 강제 대류의 세기를 선택하는 것을 가능하게 한다.

어떠한 경우에도, 작동 가스(81)의 온도는, 냉각 챔버(79)에서의 그의 이동 동안, 그 가스(81)의 온도가 550℃로부터 650℃까지 점진적으로 변하는 지점까지 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 고온 외부 벽으로부터 열을 빼앗는다. 이렇게 하여, 작동 가스(81)에 대해 선택된 강제 대류 및 경로의 전략과 관련하여, 가스는 팽창기 실린더(13)의 온도와 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 온도를 균일화하고, 상기 온도는 700℃의 부근에서 유지된다.

작동 가스(81)가 650℃의 새로운 온도에 도달하였으면, 가스(81)는 챔버 출구 포트(83)에 도달하고, 챔버 출구 덕트(86)를 통해 저압 재생 덕트(7)로 복귀한다.

전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 저압 재생 덕트(7)에서 순환하는 것에 의해 그리고 엔진 출구 덕트(33)를 통해 대기로 배출되기 전에, 챔버 출구 포트(83)로부터 배출된 작동 가스(81)는 그 열의 상당 부분을 인접한 고압 재생 덕트(6)에서 순환하는 작동 가스(81)에 전달한다.

마지막으로, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100) 덕분에, 약 700℃의 온도로 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)를 유지하도록 이러한 것들부터 배출된 열은 결코 조금도 순수한 손실로서 소멸되지 않는다.

실제로, 열은 작동 가스(81)가 팽창기 실린더(13)로 보내지고 그런 다음 전달-팽창 챔버(16) 내로 도입되기 전에 1400℃의 온도까지 작동 가스를 가져오기 위하여 연료 버너(38)에 의해 제공될 필요가 있는 열의 일부를 대체하도록 재생 열 엔진(1)의 열역학적 사이클 내로 재도입된다.

도 1에서, 챔버 바이패스 덕트(87)가 유동 제어 밸브(85)를 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 1에서, 챔버 출구 덕트(86)가 마찬가지로 유동 제어 밸브(85)를 가진다는 것을 알 수 있다. 이러한 2개의 밸브(85)는 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 변형예를 구성하고, 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 온도를 조절하기 위해 제공된다.

실제로, 챔버 바이패스 덕트(87)의 유동 제어 밸브(85)는, 그 온도가 너무 높으면, 상기 바이패스 덕트(87)를 차단하는 반면에, 챔버 출구 덕트(86)의 유동 제어 밸브(85)는 그 출구 덕트(86)를 개방한다. 이것은 그 각각의 배기 계량 밸브(31)에 의해 전달-팽창 챔버(16)로부터 배출된 작동 가스(81)를 가스 순환 공간(80)을 통해 이동시켜 저압 재생 덕트(7)로 복귀시키도록 강제하는 효과를 가진다.

다른 한편으로, 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 온도가 너무 낮으면, 챔버 바이패스 덕트(87)의 유동 제어 밸브(85)는 그 바이패스 덕트(87)를 개방하는 반면에, 챔버 출구 덕트(86)의 유동 제어 밸브(85)는 그 출구 덕트(86)를 폐쇄한다. 이것은 그 각각의 배기 계량 밸브(31)에 의해 전달-팽창 챔버(16)로부터 배출된 작동 가스(81)가 가스 순환 공간(80)을 통해 이동하여 저압 재생 덕트(7)로 복귀하는 것을 방지하는 효과를 가진다. 그러므로, 상기 가스(81)는 챔버 바이패스 덕트(87)를 통해 상기 덕트(7)로 직접 복귀한다.

실제로, 유동 제어 밸브(85)는 거의 완전히 개방되거나 완전히 폐쇄되지 않으며, 상기 밸브(85)가 가스 순환 공간(80)에서 순환하는 작동 가스(81)의 유동에서 급격한 변화없이 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)의 온도를 조절하기 위해 약간 개방된 상태로 유지될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

상기 온도의 조절은 예를 들어, 그 자체로 공지되고 각각이 유동 제어 밸브(85)를 작동시켜 개폐하도록 어떠한 형태의 서보 모터도 제어하는 것을 가능하게 하는 적어도 하나의 온도 센서 및 하나의 마이크로 컨트롤러로 구성된 제어 디바이스를 요구한다는 것을 또한 이해할 것이다.

본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 특정 실시예에 따르면, 유동 제어 밸브(85)들은 또한 동일한 서보 모터를 공유하기 위해 기계적 링크에 의해 함께 결합될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 링크는 제1 밸브(85)가 폐쇄될 때 제2 밸브가 개방되는 경우, 그리고 그 반대의 경우도 보장한다.

전술한 설명으로부터, 특히 본 출원인이 소유한 특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진을 실시할 때, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)이 많은 이점을 가져온다는 것을 이전의 설명으로부터 알 수 있을 것이다.

제1 이점으로서, 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)를 탄화 규소와 같은 세라믹 재료로 만드는 것이 더 이상 필요하지 않다. 실제로, 이러한 형태의 재료는 주지의 사실로서 그의 높은 경도 때문에 제조하는데 비용이 들며, 종래의 절삭 또는 연삭 공구로 가공하는 것을 어렵게 한다. 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100) 덕분에, 이러한 세라믹을 주철 또는 스테인리스강으로 대체하는 것이 가능하다. 이것은 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 제조 판매 가격을 크게 감소시키며, 이는 이러한 특히 이러한 엔진이 자동차 시장에 도달할 수 있게 하는데 결정적이다.

제2 이점으로서, 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)가 차갑기 때문에, 석영과 같은 매우 낮은 열전도도 및 큰 압축 강도를 가지는 재료를 사용하여 본 출원인이 소유한 2015년 9월 14일자 특허 출원 FR 15 58585의 요지인 적응성 지지를 가지는 이중 작동 팽창기 실린더의 중공 필라(hollowed pillar)를 만드는 것을 가능하게 한다. 실제로, 석영이 1300℃의 온도와 양립할 수 없지만, 이것은 700℃의 온도와 완벽하게 양립할 수 있다. 당해 적응성 지지를 가지는 이중 작동 팽창기 실린더가 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 핵심 개선 사항 중 하나라는 점을 명심하여야 한다.

제3 이점으로서, 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)가 700℃로 유지되기 때문에, 이것은 이러한 온도 레벨과 양립할 수 있는 기존의 질화규소 밸브를 사용할 수 있다. 이러한 밸브는 예를 들어 NGK 회사에서 개발되었으며, 특히 제5 European FP5-GROWTH 프로그램의 프레임워크의 기금으로 지원된 프로젝트 번호 G3RD-CT-2000-00248, "LIVALVES"라는 명칭으로 저비용 산업화를 위한 연구의 주제가 되었다.

제4 이점으로서, 700℃ 부근에서 유지되는 팽창기 실린더(13)의 내부 벽의 온도를 이용하여, 본 출원인이 소요한 특허 출원 FR 15 51593에서 제안된 공기 쿠션 세그먼트는 특히 전달-팽창 및 재생 열 엔진이 정지될 때 및 냉각되기 전에 세그먼트가 700℃보다 상당히 높은 온도에 노출될 위험없이, 이러한 온도 레벨에 대한 내구성을 가지는 초합금으로 만들어질 수 있다.

특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진에 적용되는 제5 이점으로서, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)은 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)를 둘러싸는 열 차폐물(88)의 온도 노출을 제한하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 냉각 챔버(79)는 한편으로는 이러한 차폐물(88) 사이, 다른 한편으로 상기 실린더(13) 및 상기 실린더 헤드 사이에 산재된다. 그러므로, 상기 차폐물(88)의 판매 가격 및 내구성이 크게 개선된다.

이러한 이점은 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 최종 에너지 효율을 저해하지 않으면서 얻어질 수 있다.

반대로, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)은 한편으로 팽창기 실린더(13) 및 팽창기 실린더의 실린더 헤드(14)를 만드는 재료의 내열성과 다른 한편으로 연료 버너(38)를 떠나는 작동 가스(81)의 온도 사이에서 특허 출원 FR 15 51593에 따른 기존 관계를 분리하는 것을 가능하게 한다.

어느 정도까지, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100) 덕분에, 전달-팽창 및 재생 열 엔진의 최종 효율을 높이기 위해 연료 버너(38)를 떠나는 작동 가스(81)의 온도를 상승시키는 것이 고려될 수 있고, 이는 엔진을 만드는 주요 요소의 온도 안정성을 손상시키지 않는다.

특허 출원 FR 15 51593의 요지인 전달-팽창 및 재생 열 엔진 외에, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)은 그의 구성 및 온도 특성이 상기 시스템(100)과 양립할 수 있는 임의의 다른 재생 열 엔진(1)에 유익하게 적용될 수 있다는 것을 유의하여야 할 것이다.

그러므로, 본 발명에 따른 재생 냉각 시스템(100)의 가능성은 방금 기술된 적용으로 제한되지 않으며, 전술한 설명은 단지 예시로서 주어졌으며, 임의의 다른 등가물에 의해 기술된 바와 같이 실행의 상세를 대체하는 것에 의해 회피되지 않을 상기 발명의 범위를 결코 제한하지 않는다는 것을 또한 이해하여야 한다.

Claims (6)

1. 재생 열 엔진(1)을 위해 설계되는 재생 냉각 시스템(100)으로서,
   상기 재생 열 엔진은 압축기(2)에 의해 이전에 압축된 작동 가스(81)가 예열되도록 순환하는 고압 재생 덕트(6)를 가지는 적어도 하나의 재생 열교환기(5)를 포함하되, 상기 덕트(6)의 출구에 있는 동안, 상기 가스(81)는 가스 팽창기(78) 내로 도입되기 전에 열원(12)에 의해 과열되고, 상기 가스 팽창기에서, 상기 가스는 동력 인출 샤프트(17)에서 작업을 수행하도록 팽창되며, 그 후, 상기 가스(81)는 상기 가스 팽창기(78)의 출구에서 배출되어 상기 재생 열교환기(5)의 저압 재생 덕트(7) 내로 도입되고, 상기 가스(81)는 - 상기 저압 재생 덕트(7)에서 순환하는 것에 의해 - 상기 고압 재생 덕트(6)에서 순환하는 작동 가스(81)에 그의 잔류열의 상당 부분을 전달하되, 상기 재생 냉각 시스템(100)은,
   상기 가스 팽창기(78) 또는 상기 열원(12) 또는 상기 열원(12)을 상기 팽창기(78)에 연결하는 고온 가스 흡입 덕트(19)를 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 냉각 챔버(79)로서, 한편으로는 상기 챔버(79) 또는 다른 한편으로는 상기 팽창기(78) 또는 상기 열원(12) 또는 상기 고온 가스 흡입 덕트(19) 사이의 가스 순환 공간(80)을 개방된 상태로 남기는, 상기 적어도 하나의 냉각 챔버;
   상기 가스 팽창기(78)의 출구에 직접 또는 간접적으로 연결되고, 상기 출구를 통해 상기 팽창기(78)로부터 배출되는 상기 작동 가스(81)의 일부 또는 전부가 상기 가스 순환 공간(80) 내로 진입할 수 있도록 하는 적어도 하나의 챔버 입구 포트(82);
   상기 저압 재생 덕트(7)에 직접 또는 간접적으로 연결되고, 상기 작동 가스(81)가 상기 저압 재생 덕트(7) 내로 도입되기 전에 상기 가스 순환 공간(80)을 떠날 수 있도록 하는 적어도 하나의 챔버 출구 포트(83)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 재생 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 챔버 입구 포트(82)는, 유효 단면이 유동 제어 밸브(85)에 의해 조절되는 챔버 입구 덕트(84)에 의해 상기 가스 팽창기(78)의 출구에 연결되는 것을 특징으로 하는, 재생 냉각 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 챔버 출구 포트(83)는, 유효 단면이 유동 제어 밸브(85)에 의해 조절되는 챔버 출구 덕트(86)에 의해 상기 저압 재생 덕트(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 재생 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 가스 팽창기(78)의 출구는 챔버 바이패스 덕트(87)에 의해 상기 저압 재생 덕트(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 재생 냉각 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 챔버 바이패스 덕트(87)의 유효 단면은 유동 제어 밸브(85)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 재생 냉각 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 냉각 챔버(79)의 외부는 열 차폐물(88)로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 재생 냉각 시스템.

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