KR20070020365A

KR20070020365A - 에너지 회수 시스템

Info

Publication number: KR20070020365A
Application number: KR1020067004088A
Authority: KR
Inventors: 리차드 제임스 비들; 마임 비들; 미리암 심콕; 죠나단 맥과이어
Original assignee: 티티엘 다이나믹스 리미티드; 프리파워 리미티드
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2007-02-21

Abstract

폐열 열원(소형 산업 설비 및 자동차 연소 기관 등으로부터 나오는 고온 폐기 유체)으로부터 에너지를 회수하는 시스템으로서, 순환하는 작동 유체를 구비한 폐쇄 랭킨 사이클 시스템에 대하여 개시한다. 본 발명의 에너지 회수 시스템은, 제1 온도에서 폐열을 함유하고 있는 열원 유체를 받아들여서 폐기 유체를 제2 온도로 배출하며 제3 온도의 작동 유체를 받아들여서 작동 유체를 상기 제3 온도 및 작동 유체의 비등점보다 높은 제4 온도로 배출하는 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기로부터 제1 압력으로 나오는 작동 유체를 받아들여서 그 작동 유체를 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 출력함으로써 터빈 축에 회전 에너지를 부여하는 터빈 유닛과; 상기 터빈 축에 결합되어 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기 기계적 변환 유닛(발전기를 포함)과; 상기 터빈 유닛과 제1 열교환기에 결합되어 터빈 유닛으로부터 제5 온도의 작동 유체를 받아들이고 그 작동 유체를 냉각시키며 냉각된 작동 유체를 제1 열교환기에 제3 온도로 공급하는 냉각 장치를 포함한다. 발전기의 출력을 제어하는 기술에 대해서도 개시되어 있다. 특수 터빈, 베어링, 토크 커플링, 출력 제어 및 작동 유체 정화 기술에 대해서도 개시되어 있다.

랭킨 사이클, 폐열, 에너지, 회수, 정화, 작동 유체, 터빈, 베어링

Description

에너지 회수 시스템{ENERGY RECOVERY SYSTEM}

본 발명은 다양한 형태의 산업 분야에서 유용한 에너지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 회수 시스템에 관한 것이다.

에너지(전기)를 발생시키는 종래 기술은 많이 있는데, 가장 대표적인 것으로는 궁극적으로 공급에 제한이 따르는 몇몇 연료(예, 석탄, 천연 가스)의 연소가 있다.

또한, 여러 가지 에너지 변환 기술에 대해서도 설명되어 있다. 일례로, 미국 특허 제4,896,509호는 랭킨 사이클(Rankine cycle)에서 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 방법에 대해서 개시하고 있다. 여기서, 사이클은 고온 열원(예, 수증기를 발생시키는 데 통상적으로 사용되는 보일러로부터 나오는 고온수)을 가지고 작동 유체를 증기화시키는 단계와, 그 결과로 얻어진 증기를 팽창 장치(일례로 터빈과 같은 회전 또는 왕복 변위 장치)에서 팽창시키는 단계와, 이어서 팽창된 증기를 냉각 열원(예, 냉각수)으로 냉각시켜서 응축시키는(일례로, 냉각 장치에서 통상적으로 사용되는 응축기를 사용하여 응축시키는) 단계와, 응축된 증기를 펌프를 사용하여 압축하는 단계를 포함하고, 이 단계들은 반복된다. 그러나 이와 같은 시스템들은 통상적으로 비등점에서의 연소를 이용하는 것이다.

또한, 현재 이용 가능한 랭킨 사이클 시스템에서의 문제점으로는, 수 백만 와트 범위에서 작동하는 통상적으로 대형인 설비라는 점과, 소형인 산업 설비 및 자동차 연소 기관 등으로부터 나오는 고온 폐기 유체와 같은 비교적 저온의 열원으로부터의 에너지 추출을 보다 소형인 설비에서 하기에는 적합하지 않다는 점이 있다.

이상의 문제점들을 극복하고 향상된 회수 시스템을 제공하는 에너지 회수 시스템이 요구되고 있다.

[에너지 회수]

본 발명은 열원으로부터 전기 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템을 제공하기 위한 것으로, 이러한 본 발명의 에너지 회수 시스템은 순환하는 작동 유체를 구비한 시스템으로서, 열원 유체를 받아들여 열원의 열의 적어도 일부를 받아들이며 작동 유체를 받아들여서 열을 열원 유체로부터 작동 유체로 전달하는 제1 열교환기와; 제1 열교환기로부터 나오는 작동 유체를 받아들여서 기계적 에너지를 부여받을 수 있도록 설치된 팽창 유닛과; 상기 팽창 유닛에 결합되어 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기 기계적 변환 유닛과; 상기 팽창 유닛과 제1 열교환기에 결합되어 팽창 유닛으로부터 작동 유체를 받아들이고 그 작동 유체를 냉각시키며 냉각된 작동 유체를 제1 열교환기로 공급하는 냉각 장치를 포함한다. 상기 열교환기는 소형의 열교환기인 것이 바람직하다.

일 실시예에서, 본 발명의 에너지 회수 시스템은 순환하는 작동 유체를 구비한 폐쇄형 시스템으로서, 제1 열교환기는 제1 온도의 열을 갖는 열원 유체를 받아들여서 폐기 유체를 제2 온도로 배출하며 제3 온도의 작동 유체를 받아들여서 작동 유체를 상기 제3 온도 및 작동 유체의 비등점보다 높은 제4 온도로 배출하고, 상기 팽창 유닛은 상기 제1 열교환기로부터 제1 압력으로 나오는 작동 유체를 받아들여서 그 작동 유체를 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 출력함으로써 터빈 축에 회전 에너지를 부여하는 터빈 유닛을 포함하고, 상기 전기 기계적 변환 유닛은 상기 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위하여 터빈 축에 결합된다. 터빈은 고속 마이크로 터빈인 것이 바람직하다.

바람직하기로는, 냉각 시스템은, 터빈 유닛과 제1 열교환기에 결합되어 제5 온도에 있는 터빈 유닛으로부터 나오는 제1 공급의 작동 유체를 받아들여서 상기 제1 공급의 작동 유체를 상기 제5 온도보다 낮은 제6 온도로 배출하는 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제2 열교환기는 제7 온도에 있는 액체 형태의 제2 공급의 작동 유체를 받아들여서 상기 제2 공급의 작동 유체로부터 작동 유체를 상기 제1 열교환기에 제3 온도로 배출한다.

바람직하기로는, 상기 냉각 시스템은, 상기 제2 열교환기에 결합되며 냉각 유체 공급을 받아들이도록 구성되어서 제2 열교환기에 의해 제6 온도로 배출되는 작동 유체를 받아들여서 그 작동 유체를 상기 제6 온도보다 낮으며 작동 유체의 비등점보다 낮은 제7의 온도에서 액체 형태로 배출하는 응축 유닛을 포함한다. 바람직하기로는, 냉각 시스템은, 냉각 유닛에 결합되어서 제7 온도의 액체 작동 유체를 받아들여서 그 액체 작동 유체를 제2 열교환기로 배출하고 그에 의해 제2 열교환기로의 제2 공급의 작동 유체를 제공하게 되는 펌프를 포함한다.

일 실시예에서, 제1 온도는 약 110 내지 225℃이다. 일 실시예에서, 제2 온도는 약 80 내지 140℃이다. 일 실시예에서, 제1 온도는 약 180℃이고, 제2 온도는 약 123℃이다. 일 실시예에서, 제1 압력은 약 10 내지 30 바의 절대 압력이다. 일 실시예에서, 제2 압력은 약 0.5 내지 2 바의 절대 압력이다.

바람직하기로는, 터빈 축은 터빈 유닛 내의 베어링에 장착되고, 작동 유체는 터빈 유닛을 침투하고 이에 의해 베어링에 윤활이 제공된다.

바람직하기로는, 작동 유체는 알칸계로부터 선택된 단성분 유체이다. 바람직하기로는, 작동 유체는 약 30 내지 110℃의 비등점을 갖는 유체를 포함한다.

바람직하기로는, 전기 기계적 변환 유닛은 전류를 출력하기에 적합한 발전기를 포함한다. 바람직하기로는, 전기 기계적 변환 유닛은, 상기 발전기에 결합되어서 발전기로부터 받은 전류의 주파수를 변환시켜서 그 전류를 주 주파수로 출력하는 전기 또는 전자 컨디셔닝 유닛을 포함한다.

양호한 실시예에서, 팽창 유닛은, 축과 그 축에 장착된 적어도 하나의 터빈 스테이지를 구비하는 터빈 유닛을 포함하고, 상기 터빈 스테이지는 한 조의 베인을 포함한다. 적어도 하나의 터빈 스테이지는 알루미늄이나 강으로 제조된다. 특정 실시예에서, 상기 적어도 하나의 터빈 스테이지는 플라스틱 재료로 제조된다. 상기 플라스틱 재료는 (a) 일례로 40% 탄소 섬유를 함유하는 폴리에테르에테르케톤(PEEK: polyetheretherketone)와 같은 탄소 섬유 함유 폴리에테르에테르케톤, (b) 울턴(Ultern) 2400, 또는 (c) 발록스(Valox) 865가 해당될 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 특허청구범위 중 어느 한 청구항의 시스템에서 HFE-7100 또는 헥산 또는 물을 작동 유체 및/또는 윤활 유체로서 사용하는 것이 제공된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 특허청구범위 중 어느 한 청구항의 시스템에서 알칸계 중에서 한 종을 작동 유체 및/또는 윤활 유체로서 사용하는 것이 제공된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면 전기 에너지 발생 시스템이 제공되는데, 이러한 본 발명에 따른 전기 에너지 발생 시스템은, 연료 공급원에 결합되어 연료를 연소시키고 제1 배기 유체를 배출하는 연소 유닛과, 상기 제1 배기 유체를 받아들임으로써 회전 에너지를 사용 시에 터빈 축에 부여받고 제2 배기 유체를 배출하는 터빈을 포함하는 마이크로터빈 시스템과; 상기 제2 배기 유체를 받아들여서 제2 배기 유체로부터 나오는 열을 중간 열교환 유체로 전달하고 열전달이 이루어진 후에는 중간 열교환기 유체를 배출하도록 결합된 중간 열교환기 유닛과; 특허청구범위 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하고, 에너지 변환 시스템이, 열 공급원을 구성하는 상기 중간 열교환기 유체를 받아들기 위하여 결합된 제1 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 마이크로터빈 시스템은, 터빈과 연소 유닛에 결합되어 사용시에 터빈 축에 의해 구동되는 압축기를 추가로 포함하고, 상기 압축기는 산소 함유 유체를 공급받아서 그 산소 함유 유체를 사용 중인 상태에서 압축 상태로 연소 유닛으로 공급한다.

바람직하기로는, 마이크로터빈 시스템은, 터빈에 결합되어서 사용 시에 터빈 축에 의해서 구동되며 전기 에너지를 출력하는 발전기도 추가로 포함한다.

전기 에너지 발생 시스템은, 바람직하기로는 터빈과 중간 열교환기 유닛 사이에 설치되며 제2 배기 유체를 받아들여서 중간 열교환기 유닛으로 제3 배기 유체를 배출하도록 결합된 환열기(recuperator)를 추가로 포함하고, 상기 환열기는 일례로 압축기로부터 나오는 산소 함유 유체를 공급받아서 제2 배기 유체로부터 열을 전달받은 후에 산소 함유 유체를 연소기(combustor)로 보내도록 구성된다.

바람직하기로는, 상기 환열기는 열교환기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면 전기 에너지 발생 시스템이 제공되는데, 이러한 본 발명에 따른 전기 에너지 발생 시스템은, 연료 공급원에 결합되어 연료를 연소시키고 엔진 연소 유체를 배출하며 사용 시에 회전 에너지를 구동축에 부여하는 내연 기관을 포함하는 내부 연소 시스템과; 상기 엔진 연소 유체를 받아들여서 엔진 연소 유체로부터 나오는 열을 중간 열교환 유체로 전달하고 열전달이 이루어진 후에는 중간 열교환기 유체를 배출하도록 결합된 중간 열교환기 유닛과; 특허청구범위 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하고, 에너지 변환 시스템이, 열 공급원을 구성하는 상기 중간 열교환기 유체를 받아들기 위하여 결합된 제1 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 내부 연소 시스템은, 그 내부 연소 시스템에 결합되어 사용시에 구동 축에 구동되며 전기 에너지를 출력하는 발전기도 추가로 포함한다. 바람직하기로는, 내부 연소 시스템은, 연료 공급원 및 산소 함유 유체 공급원에 연결된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면 전기 에너지 발생 시스템이 제공되는데, 이러한 본 발명에 따른 전기 에너지 발생 시스템은, 폐가스 처리 스택으로서, 산소 함유 가스를 폐가스 처리 스택으로 취입시키는 송풍기(blower)를 포함하는 기부 스테이지와, 연소 가능한 가스이거나 그와 같은 가스를 포함하는 가스인 폐가스 공급원에 결합되고 기부 스테이지에 인접하며 사용 시에 폐가스를 상기 산소 함유 가스 내에서 연소시키도록 구성된 연소 스테이지와, 상기 연소 스테이지에 인접하며, 상기 연소 스테이지로부터 나온 연소기 배기 가스와 혼합된 공기를 포함하는 혼합 가스를 발생시키도록 구성된 혼합기 스테이지를 포함하는, 폐가스 처리 스택과; 상기 혼합 가스를 받아들여서 혼합 가스로부터 나오는 열을 중간 열교환 유체로 전달하고 열전달이 이루어진 후에는 중간 열교환기 유체를 배출하도록 결합된 중간 열교환기 유닛과; 특허청구범위 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하고, 에너지 변환 시스템이, 열 공급원을 구성하는 상기 중간 열교환기 유체를 받아들기 위하여 결합된 제1 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 상기 송풍기(blower)는 전기 구동식 송풍기를 포함하고, 상기 전기 구동식 송풍기는 전기 기계적 변환 유닛에 전기적으로 결합되고, 사용 시에 에너지 변환 시스템에 의해서 발생된 전기 에너지의 적어도 일부에 의해 구동력을 받는다.

바람직하기로는, 중간 열교환기 유닛은 열 교환기를 포함하고, 그리고/또는 중간 열 교환기 유체는 열 전달 오일을 포함한다.

본 발명의 이점은 소형 크기의 에너지 회수 시스템을 제공한다는 것이다. 본 발명의 다른 이점은 비교적 저온인 열원에서도 에너지를 추출할 수 있다는 것이다. 본 발명의 또 다른 이점은 그냥 폐기되어질 열의 열원이나 혹은 재생 가능한 열원으로부터 에너지를 합리적 수준의 효율로 회수할 수 있고, 그리고/또는 에너지 발생 시스템에서 발생되는 전기 에너지의 양이 상당히 향상된다는 것이다.

[터빈 설계]

종래 기술의 또 다른 문제점으로는, 1단 반경류 유동 터빈(single stage radial flow turbine)과 2단 축류 터빈(two-stage axial flow turbine)이 공지되어 있기는 하지만, 지금까지는, 일부 산업 분야에서 직면하게 되는 고속과 극도로 높은 압력 차에서 작동할 수 있는 2단 축류 터빈은 없었다. 경우에 따라서는, 1단 축류 터빈으로는 특정 압력 강하를 견뎌내기가 어려운 문제점도 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 축방향 내부 유동 터빈 유닛(radial inflow turbine unit)이 제공되는데, 이러한 본 발명에 다른 축방향 내부 유동 터빈 유닛은, 제1 압력의 유체를 받아들이는 유입구를 구비하는 하우징과, 하우징 내의 베어링에 장착되며 회전축을 갖는 축과, 상기 축에 설치된 터빈을 포함하고; 상기 터빈은, 축에 장착된 제1의 일련의 베인을 포함하는 제1 터빈 스테이지와, 축에 장착된 제2의 일련의 베인을 포함하는 제2 터빈 스테이지와, 제1 터빈 스테이지를 빠져나오는 유체를 제2 터빈 스테이지로 보내는 도관을 포함하고; 상기 유입구에서 받아들여진 유체는 제1의 일련의 베인에 반경 방향으로 입사하여 제1 터빈 스테이지로부터 제3 압력에서 제1의 소정 방향으로 배출되고, 상기 제2 터빈 스테이지에서 받아들여진 유체는 제2의 일련의 베인에 반경 방향으로 입사하여 제2 터빈 스테이지로부터 제2 압력에서 제2의 소정 방향으로 배출되고, 상기 제1 터빈 스테이지와 제2 터빈 스테이지 모두에서 유체가 축에 회전 에너지를 부여하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 제1 압력은 제2 압력의 약 2 내지 10배이다. 바람직하기로는, 제3 압력은 제2 압력의 약 3 내지 4배이다.

바람직하기로는, 제2 터빈 스테이지의 반경 방향 치수는 제1 터빈 스테이지의 반경 방향 치수보다 크다. 바람직하기로는, 제2 터빈 스테이지의 반경 방향 치수는 제1 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 약 1.25배이다. 바람직하기로는, 제1 터빈 스테이지의 축방향 치수는 제1 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 0.3 내지 0.375배이다. 바람직하기로는, 제2 터빈 스테이지의 축방향 치수는 제2 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 0.35 내지 0.4배이다.

특정 실시예에서의 터빈 유닛은, 축에 장착된 제3의 일련의 베인을 포함하는 제3 터빈 스테이지와, 제2 터빈 스테이지를 빠져나오는 유체를 제3 터빈 스테이지로 보내는 도관도 추가로 포함하고; 상기 제3 터빈 스테이지에서 받아들여진 유체는 제3의 일련의 베인에 반경 방향으로 입사하여 제3 터빈 스테이지로부터 제4 압력에서 제3의 소정 방향으로 배출되고, 제1 터빈 스테이지와 제2 터빈 스테이지와 제3 터빈 스테이지에서 유체가 축에 회전 에너지를 부여하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 제3 터빈 스테이지의 축방향 치수는 제3 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 약 1/3배이다.

바람직하기로는, 제1의 소정 방향, 제2의 소정 방향, 및/또는 제3의 소정 방향은 대체로 축방향이다.

일 실시예에서, 유체는 가스이다. 바람직하기로는, 유체는 HFE-7100이나 혹은 헥산이다. 유체는 알칸계 중의 1종일 수 있다.

본 발명은 폐열 공급원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템도 제공하는데, 이러한 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템은 순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템으로서, 열 교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 특허청구범위의 청구항들 중 어느 한 항에 따른 터빈 유닛을 포함하고, 상기 열 교환기는 사용 시에 작동 유체를 터빈으로 공급한다.

상기 유체는 베어링에 윤활을 제공할 수 있도록 하우징을 침투하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이점은 높은 회전 속도(예, 25,000 내지 50,000 rpm)에서 사용할 수 있다는 것이다. 본 발명의 또 다른 이점으로는 2단형 설계에서는 각 스테이지에서 압력 강하가 수반되는데, 그 압력 강하에 의해 보다 높은 입력 압력(예, 최대 20바의 절대 압력)을 견딜 수 있다는 점이다.

본 발명의 또 다른 이점은 터빈을 비교적 소형 디자인으로 할 수 있다는 것이다.

이상의 이점에 의해, 아주 높은 작동 압력의 유체(가스)로부터의 에너지 변환이 향상된 효율로 발생하는 시스템(예, 랭킨 사이클 시스템)에 터빈을 유리하게 사용하는 것이 보장된다.

[베어링 설계]

종래 기술에서의 또 다른 문제점으로는, 소형 크기의 회전 기계용으로 사용할 수 있는 베어링 시스템이 없다는 것이다. 고속으로 회전하는 부품의 축을 지지할 수 있는 장치가 요구되고 있다. 더욱이, 소형 기계에서 저널 베어링과 드러스트 베어링으로서 공히 작동할 수 있는 베어링 시스템을 제공하는 데에도 문제가 있다. 이와 같은 형태의 베어링은, 장기간 동안(5년 이상 정도의 예상 수명을 가짐) 1주일 7일 내내, 하루 24시간 내내 작동하는 시스템에서 사용할 수 있도록, 견고하고 신뢰성이 있어야 한다.

본 발명은, 적어도 부분적으로는 하우징 내에 설치되며 축선을 중심으로 회전하는 축을 지지하는 베어링으로서, 하우징에 고정 부착되고, 제1 베어링면과, 제1 베어링 면에 대향된 축 상의 제2 베어링 면을 구비하며, 상기 제1 베어링면과 제2 베어링면은 축선을 대체로 가로질러 연장되는 구성으로 된, 베어링 부재와; 축선에 대체로 평행하게 연장되는 제3 베어링면과 상기 제3 베어링면에 대향 배치된 축 상의 제4 베어링면을 한정하는 원통형 내부 채널을 포함하고, 상기 베어링 부재는 윤활 유체를 적어도 상기 제3 베어링면과 제4 베어링면 사이의 공간에는 공급하도록 구성된 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링을 제공한다.

바람직하기로는, 베어링 부재는, 제1 베어링면에 대향된 단부에, 축선을 대체로 가로질러 연장된 제5 베어링면을 구비한다.

바람직하기로는, 베어링 부재는 대체로 T형인 단면을 갖는다. 바람직하기로는, 베어링 부재의 제1 베어링면은 베어링 부재의 내부 반경 방향 한계와 외부 반경 방향 한계 사이에서 부분적으로 연장되는 T형부의 상부의 융기된 환형면에 의해 한정된다. 바람직하기로는, 제1 베어링면에 대향된 공간으로 윤활 유체가 용이하게 유동하도록, 제1 베어링면에서 반경 방향으로 연장되는 다수의 긴 제1 홈들이 마련된다. 바람직하기로는, 상기 제1 홈들은 제1 베어링면의 내부 반경 방향 한계와 외부 반경 방향 한계 사이에서 부분적으로 연장된다.

바람직하기로는, 제4 베어링면에 대향된 공간으로 윤활 유체가 용이하게 유동하도록, 제5 베어링면에서 반경 방향으로 연장되는 다수의 긴 제2 홈들이 마련된다. 바람직하기로는, 상기 제2 홈들은 제5 베어링면의 내부 반경 방향 한계와 외부 반경 방향 한계 사이에서 부분적으로 연장된다.

바람직하기로는, T형 베어링 부재의 긴 부분의 양 단부 사이의 한 지점에서, 베어링 부재의 반경 방향 외부 한계에 있는 표면에 원주 방향 홈이 형성된다. 바람직하기로는, 베어링 부재의 외부와 내부 원통형 채널 사이에서 윤활 유체가 유동할 수 있도록 하기 위해, 베어링 부재의 원주 방향 홈과 내부 반경 방향 한계 사이에서 반경 방향으로 연장되는 다수의 제1 윤활 채널이 마련된다.

바람직하기로는, 베어링 부재는 다수의 제2 윤활 채널을 포함하고, 상기 제2 윤활 채널 각각은 제1 베어링면 상의 제1 긴 홈과 이에 대향되는 제5 베어링면 상의 제2 긴 홈 사이에서 축방향으로 연장된다.

바람직하기로는, 제1 긴 홈 및/또는 제2 긴 홈의 수는 2 내지 8개이고, 바람직하기로는 6개이다.

바람직하기로는, 제2 윤활 채널의 수는 2 내지 8개이다.

베어링은 바람직하기로는 와셔를 추가로 포함하고, 상기 와셔는 사용시에 그 한 면이 베어링 부재의 제5 면과 맞닿고 다른 한 면이 일례로 터빈과 같은 구동 요소의 대응하는 면에 맞닿도록 구성된다.

본 발명은 폐열 공급원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템도 추가로 제공하는데, 이러한 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템은 순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템으로서, 열 교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 터빈 유닛을 포함하고, 상기 열 교환기는 사용 시에 작동 유체를 가스 상태로 터빈으로 공급하고, 터빈 유닛은 축을 거쳐서 전기 기계적 변환 유닛에 기계적으로 결합되고, 축은 특허청구범위의 청구항들 중 어느 한 항에 따른 베어링에 의해 지지된다.

바람직하기로는, 상기 에너지 회수 시스템은, 베어링 부재의 외부로 작동 유체가 공급되어서 베어링을 위한 윤활 유체가 제공될 수 있도록, 냉각 시스템으로부터 베어링으로 이어지는 보조 유체 공급관도 추가로 포함한다. 바람직하기로는, 작동 유체는 베어링에 액체 형태로 공급된다.

본 발명의 이점은 베어링이 소형으로 제공될 수 있다는 것이다. 본 발명의 또 다른 이점은저널 베어링과 드러스트 베어링 모두로서 작동될 수 있다는 것이다. 특정 실시예에서, 작동 유체에 의해 윤활이 제공됨으로써 별도의 윤활제 공급이 필요하지 않다는 것 또한 이점이다.

[커플링]

종래 기술에서의 또 다른 문제점으로는, 자성 커플링이 공지되어 있기는 하지만, 아직까지는 일부 산업 분야에서 직면하는 극도로 높은 압력차를 극복하는 밀봉된 유닛에서 고속으로 작동할 수 있는 커플링 설계가 없다는 것이다. 경우에 따라서는, 그와 같은 장치를 소형으로 제공할 수 없다는 문제점도 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면 회전식 자성 커플링이 제공되는데, 이러한 본 발명에 따른 회전식 자성 커플링은, 제1 자성 부재가 위에 배치되어 있고 사용시에는 회전 에너지 공급원에 의해 구동되는 제1 축을 구비하는, 제1 회전 부재와; 제2 자성 부재가 위에 배치되어 있는 제2 축을 구비하고, 사용시에는 제1 자성 부재와 제2 자성 부재 사이의 커플링을 통해서 제1 회전 부재로부터 회전 에너지를 받는, 제2 회전 부재를 포함하고, 상기 제1 자성 부재와 제2 자성 부재 중 어느 하나 또는 둘 모두는 상기 제1 축과 제2 축의 축선에 대해서 다른 각도의 우치로 배치된 다수의 자성 구획부를 포함한다.

바람직하기로는, 제1 회전 부재는 기밀된 하우징 내에 배치되고, 하우징의 일부는 제1 회전 부재와 제2 회전 부재 사이에 배치되고 비자성 재료로 제조된다. 바람직하기로는, 비자성 재료에는 스테인레스 강, 니켈 크롬 합금(nimonic alloy), 또는 플라스틱이 포함된다.

일 실시예에서, 제1 자성 부재는 제1 축과 일체인 대체로 원통형인 내부 전기자 부분과, 상기 전기자의 외부에 고정 부착된 다수의 제1 자성 구획부를 포함하고; 제2 자성 부재는 제2 축과 일체인 대체로 원통형인 외부 지지부와, 상기 지지부의 내부에 고정 부착된 다수의 제2 자성 구획부를 포함한다. 바람직하기로는, 제1 자성 부재는, 제1 축이 고속 회전하는 중에 제1 자성 구획부를 제위치에 유지시키기 위한, 제1 자성 구획부의 외부에 배치된 구속 외피(containment shell)도 추가로 포함한다. 상기 구속 외피는 일례로 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRF: carbon fibre reinforced plastic), 케블라(Kevlar), 또는 유리 섬유 강화 플라스틱(GRP: glass fibre reinforced plastic)과 같은 복합 재료로 제조될 수 있다. 바람직하기로는, 제1 자성 부재는 제2 자성 부재 내측에 배치되고 하우징 부분에 의해 제2 자성 부재로부터 분리된다. 바람직하기로는, 자성 구획부는 각각의 N-S 방향이 반경 방향으로 연장되는 양극 자석들을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 제1 자성 부재는 대체로 원반형이고, 다수의 제1 자석 구획부를 안에 고정 장착시킨 제1 장착 구획부를 포함하고, 이에 의해 제1 자석 구획부들이 원반형을 형성하고; 제2 자성 부재는 대체로 원반형이고, 다수의 제2 자석 구획부를 안에 고정 장착시킨 제2 장착 구획부를 포함하고, 이에 의해 제2 자석 구획부들이 원반형을 형성한다. 바람직하기로는, 제1 자석 구획부와 제2 자석 구획부는 원반의 부분(sector)들을 형성한다. 바람직하기로는, 제1 자석 구획부와 제2 자석 구획부는 각각의 N-S 방향이 축방향으로 연장된 양극 자석들을 포함한다. 바람직하기로는, 상기 원반형의 제1 자성 부재는 상기 원반형의 제2 자성 부재에 인접하게 축방향으로 정렬 배치되어 하우징의 부분에 의해 제2 자성 부재로부터 떨어져 있다.

바람직하기로는, 제1 자성 부재 및/또는 제2 자성 부재의 자성 구획부의 수는 짝수개로서 2 이상이다. 보다 바람직하기로는, 제1 자성 부재 및/또는 제2 자성 부재의 자성 구획부의 수는 4개이다.

바람직하기로는, 상기 자석 구획부들은 페라이트 재료, 사마륨 코발트 또는 네오디뮴 철 보론으로 제조된다.

본 발명은 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 폐에너지 회수 시스템도 추가로 제공하는데, 이러한 본 발명에 따른 폐에너지 회수 시스템은 순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템으로서, 열 교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 터빈 유닛을 포함하고, 상기 터빈은 기밀 밀봉되고 특허청구범위의 청구항들 중 어느 한 항에 따른 자성 커플링에 의해 상기 전기 기계적 변환 유닛에 결합된다.

본 발명의 이점은 높은 회전 속도(예, 25,000 내지 50,000 rpm)에서 사용할 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 터빈을 구동시키는 작동 유체가 빠져나가는 것(땔는 해롭고 위험함)을 방지할 수 있는 밀봉 유닛을 제공한다는 것이다. 또 다른 이점으로는, 터빈을 비교적 소형 설계로 할 수 있다는 점과, 자동차 응용 분야에서 찾아볼 수 있는 것과 같은 규격품 발전기를 터빈 동력이 구동시킬 수 있게 하는 데 있어 서는 기계적 분리/자성 커플링(자성 결합)이 특히 유리하다는 점이 있다.

이상의 것들에 의하면, 아주 높은 회전 속도의 유체(가스)로부터 에너지 변환이 발생하는 시스템(예, 랭킨 사이클 시스템)에서 자성 커플링을 유리하게 사용하는 것이 보장된다.

[동력 제어]

현재 이용 가능한 랭킨 사이클 시스템의 또 다른 단점으로는, 그 시스템들이 수백만 와트의 범위에서 작동하는 통상적으로 대형인 설비라는 점과, 소형 산업 설비와 자동차 연소 기관 등으로부터 나오는 고온 폐기 유체와 같은 비교적 저온의 열원으로부터 에너지 추출하는 것을 소형으로 구성하기에 적절치 않다는 점이 있다.

더욱이, 전기 에너지가 폐열이나 태양광 열원과 같은 열원으로부터 얻어지는 경우에는, 에너지를 최적 효율로 추출하는 데에 그러한 시스템이 사용될 수 있으면 바람직하다.

기존의 대부분 랭킨 사이클 기계는 동일 주파수에서 구동하는 동기 발전기를 그리드 공급원으로서 구비하는 저속 유닛이다. 터빈 속도와 동력의 제어는 터빈으로 우회시키는 밸브에 의하는 것이 일반적이다. 일례로, 미국 특허 제4,537,032호에는 각 드로틀 밸브의 작동을 제어함으로써 터빈 상에 가해지는 부하를 조절하는 병렬 스테이지 모듈형 랭킨 사이클 터빈이 개시되어 있다.

미국 공개 특허 공보 2002/0108372호에는 하나의 랭킨 사이클 터빈 시스템이 다른 랭킨 사이클 터빈 시스템의 발전기의 출력에 따라 개폐하는 제어 밸브를 포함하는 2개의 고온 스탠바이 유기 랭킨 사이클 터빈 시스템을 포함하는, 동력 발생 시스템이 개시되어 있다.

이상에서 설명한 문제점들을 극복하고 향상된 회수 시스템을 제공하는 에너지 회수 시스템에 대한 요구와 그 시스템을 제어하는 기술에 대한 요구가 있다.

따라서 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템인 에너지 회수 시스템으로서, 열 교환기와, 발전기를 포함하는 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 터빈 유닛과, 상기 전기 기계적 변환 유닛에 결합되고 상기 발전기로부터 유도되는 전압을 변동시키는 구성으로 된 제어 시스템을 포함하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법에 있어서,

(a) 전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키는 단계와,

(b) 발전기의 출력을 측정하는 단계와,

(c) 상기 단계(b)에서 측정된 출력이 이전의 출력 이하이면, (i) 전압을 1 전압 스텝만큼 감소시키고 (ii) 전압을 1 전압 스텝만큼 감소시키는 단계(1)와 발전기의 출력을 측정하는 단계(2)를 반복하고; 상기 (ii)의 단계(2)에서 측정된 출력이 이전에 측정된 출력보다 크며 상기 단계(b)에서 측정된 출력이 이전의 출력보다 크면, (iii) 전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키고, (iv) 발전기의 출력을 측정하되, 상기 단계(iv)에서 측정되는 출력이 이전에 측정된 출력보다 큰 동안에는 상기 단계(iii)와 단계(iv)를 반복하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법이 제공된다.

선택적으로, 전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키는 각 단계는 전압을 1 전압 스텝만큼 감소시키는 단계로 대체되며, 그 반대의 경우도 성립한다. 전압 스텝의 크기는 평균 전압의 약 1% 내지 2.5%로 할 수 있다. 바람직하기로는, 단계(a)는 대략 매초마다 실행된다.

발전기의 출력을 측정하는 단계는 발전기의 출력으로부터 유도된 출력 전압 V를 측정하고, 발전기의 출력으로부터 유도된 출력 전류를 측정하여, 출력 = V*I를 산출한다. 선택적으로, 발전기의 출력을 측정하는 단계는 별도의 출력 측정 장치를 이용하여 출력을 측정하는 것을 포함한다.

바람직하기로는, 본 발명에 따른 방법은 발전기 전압을 제1 주파수로부터 제2 주파수로 변환하는 것을 포함한다. 바람직하기로는, 제1 주파수는 제2 주파수보다 높고, 제2 주파수는 주 공급원의 주파수와 거의 같다. 바람직하기로는, 전압을 변환시키는 단계는 정류 회로를 이용하여 발전기의 출력을 정류하여 DC 전압을 유도하는 단계와, 출력 컨디셔닝 유닛을 이용하여 상기 DC 전압으로부터 AC 전압을 발생시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법은 바람직하기로는 출력의 최종 측정치를 저장하는 단계도 추가로 포함한다.

본 발명은 특허청구범위의 청구항들 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위하여 적절하게 프로그램된 프로그램가능 제어 시스템도 추가로 제공하는데, 상기 프로그램가능 제어 시스템은 프로세서, 메모리, 전기 기계적 변환 유닛에 결합된 인터페이스, 및 사용자 인터페이스를 포함한다.

본 발명의 이점은 효율을 극대화할 수 있으며 소형의 고속 시스템에 적용할 수 있고 특히 저출력 유닛에 적용할 수 있는 시스템 및 기술을 가능하게 한다는 점이다.

[작동 유체 정화]

일례로 랭킨 사이클 시스템과 같이, 폐시스템으로 작동하며 터빈과 같은 팽창 장치를 사용하는 종래의 많은 에너지 변환 시스템에서는, 시스템 내의 여러 스테이지를 통과하며 어떤 지점에서는 정상 상태에서 액체 형태를 취하는 작동 유체를 사용한다.

통상적으로, 시스템을 초기에 채울 때의 작동 유체는 액체이고, 그에 따라 시스템의 나머지는 질소와 같은 가스로 채워져야 한다.

이와 같은 시스템에서의 문제점은, 시스템의 작동 중에 비응축성 가스가 존재하게 되는 경우에 총 성능은 실질적으로 감소될 수 있다. 그 이유는, 일례로 터빈을 기반으로 한 시스템인 경우에 터빈 압력비(인입 압력: 배출 압력)를 가능한 한 높게 하기 위해서는 출구 상에서 팽창되는 터빈 가스의 압력을 가능한 한 낮게 하여야 하기 때문이다.

이와 같은 문제점을 다루려고 시도한 기술이 미국 특허 제5,119,635호 및 제5,487,765호에 개시되어 있다. 그러나 이러한 기술들에서는, 응축기로부터 가스를 펌핑하고, 작동 유체를 응축시키기 위해 그 펌핑된 가스를 냉각시키고, 바람직하지 않은 비응축성 가스를 배출하고, 이어서 액체 작동 유체를 시스템으로 다시 펌핑하기 위한 별도의 장치가 추가로 필요하다.

본 발명은 작동 유체로부터 불순물을 제거하기 위한 더 간단하고 쉽게 구현할 수 있는 시스템도 제공하고자 하는 것이다.

따라서, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 터빈과 같은 팽창 장치를 포함하고 그 팽창 장치를 통과하는 경로 내에서 순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템인 에너지 변환 시스템용의 작동 유체 정화 시스템에 있어서, 팽창 탱크와; 작동 유체를 수용하기 위해 연결된 가변 용적이 한정되도록 하는 팽창 탱크 내의 격막과; 상기 경로와 팽창 탱크 사이에 배치된 제어 밸브를 포함하고, 상기 제어 밸브는 가변 용적으로 들어가는 유체의 흐름 및/또는 가변 용적으로부터 나오는 유체의 흐름을 제어하도록 구성되고, 상기 제어 밸브는 도관을 거쳐서 경로의 연결 지점까지 연결되고, 상기 연결 지점은 상기 경로의 최고 지점에 있는 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템이 제공된다.

바람직하기로는, 제어 밸브는 상기 연결 지점보다 높은 지점에 장착된다. 바람직하기로는, 팽창 탱크는 상기 제어 밸브보다 높은 지점에 장착된다.

상기 시스템은 바람직하기로는 제어 밸브를 개폐하도록 구성된 제어기도 추가로 포함한다. 바람직하기로는, 제어기는 제1의 사전 결정 시간 동안 제어 밸브를 개방하는 단계와 제2의 사전 결정 시간 동안 제어 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 정화 사이클을 실행하도록 구성된다. 바람직하기로는, 제어기는 시스템이 켜진 이후의 사전 결정 지속 시간 중의 시동 순차에서 다수의 정화 사이클을 수행하도록 구성된다. 바람직하기로는, 다수의 정화 사이클은 약 3 내지 5회의 정화 사이클을 포함한다. 바람직하기로는, 제1의 사전 결정 시간은 약 1분이고, 제2의 사전 결정 시간은 약 10분이다.

상기 시스템은 바람직하기로는 제어기에 결합된 압력 센서도 추가로 포함하고, 상기 제어기는 센서에 의해 지시된 압력이 사전 결정 수준보다 높으면 적어도 1회의 정화 사이클을 실행하도록 구성된다. 바람직하기로는, 압력 센서는 터빈(팽창 장치)의 출구에서의 압력을 검출하도록 설치된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 열원으로부터 전기 에너지를 추출하기 위한 에너지 회수 시스템으로서, 특허청구범위의 청구항들 중 어느 한 항에 따른 작동 유체 정화 시스템과, 터빈과, 열교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템을 포함하고, 상기 열교환기는 사용 시에 작동 유체를 상기 터빈으로 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템을 제공한다.

이하에서는 예시적으로 제시하는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명의 일 태양에 따른 에너지 회수 시스템의 개략도이고, 도 1b는 발전기의 출력을 수정하는 중간 전자 장치들의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일 태양에 따른 폐열 열원의 유래를 보여주는 개략도이다.

도 3은 도 1의 터빈 유닛과 발전기를 상세하게 도시한 도면이다.

도 4는 도 3의 터빈 베어링의 확대도이다.

도 5a 내지 도 5g는 유체 유동을 나타낸 도 4의 베어링에 사용된 베어링 부재를 상세하게 도시한 도면이다.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 또 다른 태양인, 도 1의 터빈 유닛과 발전기의 선택적인(자성) 커플링을 도시하는 도면이다.

도 7은 여러 가지 마이크로터빈 기반 시스템을 도시하는 것으로, 도 7a는 분리된 것을 도시하는 도면이고, 도 7b는 환열기를 구비하는 것을 도시하는 도면이고, 도 7c는 도 7a와 같은 시스템에 본 발명의 여러 태양에 따른 에너지 회수 시스 템이 결합된 것을 도시하는 도면이고, 도 7d는 도 7b와 같은 시스템에 본 발명의 여러 태양에 따른 에너지 회수 시스템이 결합된 것을 도시하는 도면이다.

도 8a는 내연 기관 계통 에너지 발생 시스템을 도시하는 도면이고, 도 8b는 도 8a와 동일한 시스템에 본 발명의 다른 태양에 따른 에너지 회수 시스템이 결합된 시스템을 도시하는 도면이다.

도 9는 연소탑(flare stack) 기반 에너지 발생 시스템에 본 발명의 다른 태양에 따른 에너지 회수 시스템이 결합된 시스템을 도시하는 도면이다.

동일 요소들을 나타내기 위해 동일 도면부호를 사용한 도면들을 다시 참조하면, 도 1a는 본 발명의 일 태양에 따른 에너지 회수 시스템(100)의 개략도이다. 여기에서 “에너지 회수 시스템”이라 함은, 원래의 (열) 에너지가 반드시 낭비되는 것이 아니라 (예를 들면, 건물의 난방에 적어도 기여하는) 현재의 형태로 사용될 수도 있는 상황에서, 회수하지 않을 경우에 낭비되는 에너지원(예를 들면, 열원)으로부터 에너지(예를 들면, 전기 에너지)를 회수하는 에너지 회수 시스템과, 에너지를 한 형태(예를 들면, 열)로부터 또 다른 형태(예를 들면, 전기)로 변환하는 에너지 변환 시스템을 포함한다.

주 열교환기(102)는, 시스템에 의해 회수하고자 하는 열 에너지를 갖는 가열된 열원 유체를 수용하는 적어도 하나의 열원 유체 유입구(104)를 구비한다. 열원 유체가 주 열교환기(102)로 진입할 때의 열원 유체의 온도는 t1으로 표기되어 있다.

주 열교환기(102)는 어떠한 열원에 의해서라도 구동될 수 있고, 열원의 예로는 고온 공기, 스팀, 고온 오일, 엔진으로부터의 배기 가스, 제조 공정의 폐기 고온 유체, 마이크로터빈 기반의 전기 생성 시스템으로부터의 배출 유체, IC 엔진 기반의 전기 생성 시스템, 연소탑(flare stACk)의 연소 폐가스 등이 있다. 대안적으로, 열원은 주 열교환기(102)용의 열원 유체를 형성하는 적절한 유체(예를 들면 열전달 오일)를 가열하는 태양 열 에너지일 수 있다.

도 2를 잠시 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 태양에서의 하나의 폐기원의 유래를 나타나는 개략도이다. 폐에너지의 중요한 예는, 경유, 디젤 또는 가솔린을 연료로 하여 왕복동하는 보편적인 내연 기관 또는 터빈이다. (대형 발전소 또는 선박 엔진 이외의) 가장 간단한 사이클의 화석 연료 엔진은 효율이 35% ~40%의 범위이고, 이는 엔진을 구동하는 데 사용하는 연료로부터의 에너지의 60% ~ 65%가 폐열로서 손실된다는 것을 의미한다.

도 1a을 다시 참조하면, 열원 유체는 적어도 하나의 열원 유체 배출구(106)를 통하여 감소된 온도(t2)로 주 열교환기(102)를 떠난다.

교차 대향류(cross counter flow) 형태인 것이 적절한 주 열교환기(102)는, 시스템의 작동 유체를 (t3의 온도의 액체로서) 수용하는 작동 유체 유입구(108)와, (t4의 온도에서) 배출하는 작동 유체 배출구(110)도 구비한다. 주 열교환기(102) 내에서 가열되어 증발되는 작동 유체는, 열역학적 및 화학적 성질이 시스템 구조와 작동 온도 및 압력에 적합하도록 신중하게 선택된다. 일 실시예에서, 작동 유체는 HFE-7100이다.

가스상의 작동 유체는, 주 열교환기(102)의 작동 유체 배출구(110)로부터의 배출 후에, 터빈 유닛(114)의 터빈 유입구(112)로 화살표 A 방향으로 흐른다. 작동 유체는 p1의 압력으로 터빈 유닛(114)에 도달하고, 터빈 유닛(114) 내의 터빈 축(116)에 장착된 터빈(미도시)를 구동시킴에 의해 열과 압력을 잃고, p1보다 실질적으로 낮은 압력 p2로 터빈 배출구(118)를 통하여 터빈 유닛(114)을 떠난다. 일 실시예에서, 압력 p1은 절대압 11.5 바(bar)이고 압력 p2는 절대압 1.0 바이다.

일 실시예에서, 터빈 축(116)는 베어링(미도시)에 장착되고 발전기(120)에 기계적으로 연결되며, 예를 들면 터빈과 발전기 전기자(armature)(미도시)는 공통의 축(116)에 장착된다. 이러한 방식으로, 터빈 축(116)의 고속 회전은 발전기(120) 내에 전기 에너지가 생성되도록 하고, 그 결과 발전기 출력(122)에 전압이 나타난다. 이하에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 터빈 축(116)와 발전기(120)의 연결을 보다 상세히 설명한다.

작동 유체는 터빈 배출구(118)를 떠난 후에, 터빈 배기 가스를 이용한 작동 유체의 예열기로서 작용하는 제2 열교환기(126)의 유입구(124)로 화살표 B 방향으로 이동한다. 따라서 작동 유체는 t5의 온도로 제2 열교환기(126)로 유입되고 보다 저온의 t6의 온도로 배출구(128)를 통해 배출된다. 동시에 제2 열교환기는, (화살표 C 방향에서) 비등점 미만의 액체 형태의 또 다른 작동 유체의 흐름을 t7의 온도로 유입구(130)를 통하여 수용한다. 제2 열교환기(126) 내에서 열 에너지는 유입구(130)에 도달하는 작동 유체의 흐름으로 전달되고, 작동 유체는 t3의 온도로 배출구(132)를 통해 배출되고, 주 열교환기(102)의 유입구(108)로 (화살표 D 방향으로) 흐른다.

시스템은, 저온수가 유입구(136)를 통해 도달하고 배출구(138)를 통해 배출되는 응축 유닛(또는 수냉 장치)(134)을 또한 포함한다. 운전 시에, 제2 열교환기(126)로부터 화살표 E 방향으로 흐르는 작동 유체는 유입구(140)를 통해 응축 유닛(134)에 도달하고, 응축 유닛(134) 내에서 냉각되어 액체로 응축된 후에 배출구(142)를 통해 배출된다. (온도 t7의) 액상 작동 유체는 펌프(144)에 의해 밸브(146)를 통해 화살표 C 방향으로 가압되고 제2 열교환기(126)에 도달하는 작동 유체의 제2 공급원을 형성하여, 사이클 전체를 다시 시작한다. 일 실시예에서 별도의 유체 라인(160)은, 터빈 유닛(114)과 발전기(120)에 연결된 베어링에 윤활을 위하여 액상 작동 유체를 전달한다.

따라서, 시스템은 랭킨 사이클(Rankine cycle)로 운전되고, 단순히 여러 상들을 거치면서 순환되는 작동 유체의 이탈 또는 소모가 없도록 밀봉된다.

일 실시예에서 시스템은, 시스템에 의한 출력을 제어하기 위한 제어 시스템(150)을 포함한다. 대부분의 공지의 랭킨 사이클 장치는, 그리드 공급(grid supply)과 같은 주파수로 작동되는 동기식 발전기를 구비한 저속 유닛이다. 터빈 속도 및 출력 제어는 일반적으로 터빈을 거치지 않는 밸브에 의해 이루어진다. 그러나, 본 발명의 일 태양에 따른 시스템은 고속 발전기(120)를 채용하고, 출력 컨디셔닝 유닛은 고주파수 발전기 출력을 본선 주파수로 변환시키기 위해 사용되는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 제어 시스템은 중간 전자 장치(151), 출력 컨디셔닝 유닛 (PCU)(152) 및 제어기(154)를 포함한다. 발전기(120)에 의해 출력부(122)에서 출력되는 출력은 터빈 축의 고속 회전에 의하여 주파수가 높고, 도 1b에 보다 상세히 도시되어 있는 중간 전자 장치(151)에 의해 변경된다.

도 1b를 참조하면, 발전기(120)의 출력부(122)는, 전체가 도면부호 151로 표시된 중간 전자 장치의 입력부(160)들(3상 발전기의 경우에, 이들 중 3개)에 연결된다. 중간 전자 장치(151)의 제1 스테이지는, 각 라인의 전압을 상승시키기 위한 선택적인 변환기 스테이지(162)이다. 이는, 필요한 경우에 PCU(152)의 출력부에서 (UK 본선 공급에 대한) 완전한 240V 사인파가 생성될 수 있도록, PCU(152)에서 결국 나타나는 충분한 DC 전압이 존재하는 것을 보장한다. 그러나 특정 실시예에서 발전기(120)에 의해 출력되는 전압 레벨은 변환기 스테이지(162)가 생략 가능할 정도로 충분히 높다.

다음으로 변환기 스테이지(162)에 의해 출력되는 전압은 도면부호 164에서, 당해 분야에 공지된 일군의 6개의 정류 다이오드(168)를 포함하는 정류 스테이지(156)로 전송된다. 따라서, DC에 가까운 정류 전압은 정류 스테이지(166)의 출력부(170)에서 공급되고, 이는 정상 운전 상태에서 중간 전자 장치(151)의 출력부(172)에서 나타난다.

그리드 연결의 갑작스러운 손실이 있는 경우에 모든 발전기 부하는 손실된다. 이는 발전기(120)의 상당한 과속을 일으킬 수 있고, 따라서 과속을 방지하기 위하여, 터빈을 우회하는 덤프 밸브(dump valve)(미도시)뿐만 아니라 중간 전자 장치(151)는, 그리드 연결이 손실되었을 경우에 발전기(120)에 부하를 제공하기 위한 덤프 저항기(158)를 포함하는 안전 스테이지(174)를 포함한다.

저항기(176)는 출력부(172)를 가로질러 덤프 저항기(158)와 직렬 연결되고, 저항기(176)의 베이스(b)는 과속 검출 유닛(미도시)에 의해 구동된다. 과속 검출 유닛은 듀티 사이클이 과속의 정도에 비례하는 저항기(176)에 PWM 신호를 공급하고, 따라서 과속이 증가할수록 덤프 저항기(158)에 의해 가해지는 부하가 증가한다.

도 1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 출력부(172)(여기서 DC 버스라고 칭함)에서 공급된 파워는 전압이 V이고 전류가 I이며 PCU(152)에 공급된다. 당해 분야에 공지된 PCU(152)는 본선 주파수(UK 내 50Hz)와 전압(UK 내 240V)에서 파워를 DC로부터 AC로 변화시키도록 구성된다.

출력 컨디셔닝 유닛(152) 내에서의 DC 버스 전압(도 1b 내의 V)의 변화는 터빈 축(116)의 속도를 제어한다. 버스 전압의 감소는 발전기(120)로의 부하를 증가시키며, 발전기로부터 더 많은 전류를 인출시킨다. 대조적으로, 버스 전압의 증가는 발전기 전류를 강하시킨다. 버스 전압 변화 전과 후에 (예를 들면 P=VI를 이용하거나 파워 측정 장치를 이용하여) 파워를 계산함으로써, 버스 전압 변화에 의해 파워가 증가하였는지 또는 감소하였는지를 결정할 수 있다. 이는 발전기(120)로부터 출력되는 최대 파워의 시점이 알려질 수 있도록 해주고, 버스 전압의 변화에 의하여 연속적으로 "추적"될("tracked") 수 있도록 해준다.

일 실시예에서, 부하가 없을 때에 발전기에 의해 공급되는 전압은, 3상 각각에 대하여 발전기(120)의 최대 속도인 45,000rpm에서 290VAC[모든 전압은 라인-라 인(line-to-line)으로 측정됨]이다. 파워가 생성될 수 있는 최저 속도는 28000rpm이고, 이 시점에서 부하가 없을 경우에 전압은 180VAC이다. 부하의 증가는 발전기 전압을 감소시킨다. 예를 들면, 45000rpm에서의 전압은 6.3kW에서 210VAC이다.

버스 전압을 변화시킴에 의해 출력되는 파워의 제어는 적절한 아날로그 또는 디지털 전자 장치, 마이크로제어기 등에 의하여 실현될 수 있다. 또한, 제어기(154)로서 퍼스널 컴퓨터(PC)를 사용하여 수동으로 제어할 수도 있다. 그러나, 출력된 파워는 제어기(154)로서 적합하게 프로그래밍된 PC 또는 다른 연산 기계를 사용하여 자동으로 제어되는 것이 바람직하다. 어떤 경우이든지, PC는 RS232 시리얼 통신 장치에 의해 PCU(152)와 통신하고, 당해 분야에 공지되어 있는 RS422 또는 RS458 어댑터를 사용하는 것도 가능하다. 따라서, PC는 언제든지 V와 I의 값을 알 수가 있고, 그에 따라 순간적인 파워를 알 수 있도록 해준다.

자동 PC 제어의 경우에, 제어 방법은 다음과 같은 실시를 행하는 적절한 소프트웨어에 의해 이루어질 수 있다.

"시스템이 ON인 동안 실시

버스 전압을 한 전압 스텝만큼 증가

새로운 파워(=VI)를 측정

새로운 파워가 기존 파워보다 작거나 같으면 한 전압 스텝만큼 전압 감소

실시(do)

한 전압 스텝만큼 전압 감소

새로운 파워 측정

새로운 파워가 기존 파워를 초과하는 동안

그렇지 않으면, 실시(do)

한 전압 스텝만큼 전압 증가

새로운 파워 측정

새로운 파워가 기존 파워를 초과하는 동안"

전압 스텝의 크기는 운전 조건에 의하여 결정될 수 있고 평균 버스 전압의 적절히 결정된 작은 비율(예를 들면, 1% ~ 2.5%)이라는 점을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 전압 스텝 변화는 대략 매초마다 이루어진다.

시스템에 포함된 또 다른 하나의 선택적인 특징은, 도 1 내에 전체가 도면부호 170으로 표기된 작동 유체 정화 시스템이다. 전술한 바와 같이, 시스템의 작동 중에 존재하는 비응축성 가스가 있을 경우에, 전체 성능이 실질적으로 감소할 수 있다. 즉 터빈의 압력비가 유지되어야 할 압력비보다 작아질 수 있다. 예를 들어, 실시예에 설명된 터빈 내에서 입측 압력(p1)이 20 바로 계획되고, 출측 압력(p2)이 의도된 1 바와는 다른 2 바일 경우에, 압력비는 20이 아니라 10이며, 상당히 성능을 저하시키게 된다.

어려운 점은, 시스템을 초기에 충전할 때에 작동 유체가 액체이고 시스템의 나머지는 가스 예를 들면 질소로 충전되어야 한다는 것이다. 이러한 단계를 실시할 때에, 시스템 내의 질소의 질량을 감소시키기 위하여, 압력을 대기압 미만으로 감소시킬 수 있다. 그러나, 압력을 지나치게 낮출 수가 없으며, 압력을 너무 낮추면 펌프 내에 공동(cavitation)이 발생한다. 따라서, 시스템으로부터 불필요한 가스를 제거하는 최적의 방법은 시스템의 작동 중에 실시된다.

작동 유체 정화 시스템(170)은, 일단이 제2 열교환기(예열기)(126)의 소정 지점(Q)에 연결되고 타단이 제어 밸브(174)에 연결된 도관(172)을 포함하며, 제어 밸브(174)는 일례로 중앙 가열 시스템에 사용되는 팽창 탱크의 형태일 수 있는 팽창 탱크(176)의 베이스 입구/출구 포트(176)에 위치할 수도 있다. 팽창 탱크(176)는 그 하부에 가변성 용적(V)의 가스 및/또는 액체를 수용할 수 있도록 가요성 박막 또는 격막(178)을 구비한다.

이하에서 설명하는 실시예(6kW 시스템)에서, 측정치는 다음과 같다.

시스템 용적 70 리터

유체 용적 18 리터

팽창 탱크 용적 50 리터

알 수 있는 바와 같이, 시스템이 초기에 유체로 채워질 때에 52 리터의 질소가 존재한다. 진공 펌프로 이 가스의 압력을 낮추면, 팽창 탱크(176) 내에 유지되어야 하는 가스의 양이 감소하며, 이는 더욱 작아질 수 있음을 의미한다. 이러한 펌프의 작동은 팽창 탱크 내에서 격막(178)을 하방으로 팽창시키고, 탱크의 전체 또는 거의 대부분을 가스 수용에 이용할 수 있도록 한다.

질소 가스의 밀도는 작동 유체 증기의 밀도보다 작기 때문에, 질소 가스는 시스템 내의 최고 위치에 축적되는 경향이 있다. 이 지점(도 1의 Q)에서, 유체는 팽창 탱크(178)로 추출될 수 있으며, 격막(178)은 팽창이 일어나는 것을 가능하게 하고 용적(V)을 증가시킨다. 즉, 제어 밸브(174)가 개방된 상태에서, 가스는 팽창 탱크(176) 내로 서서히 이동할 수 있게 된다. 질소 가스는 작동 유체보다 밀도가 작기 때문에, 팽창 탱크(176)의 내용물의 대부분은 질소이고 단지 소량이 작동 유체이다.

일단 밸브(174)가 폐쇄되면, 팽창 탱크(176)와 그 내용물은 자연 냉각되어 작동 유체가 응축하게 된다. 제어 밸브(174)가 개방된 후에, (액체가 된) 작동 유체는 중력에 의하여 (제어 밸브(174)와 도관(172)을 통하여) 시스템의 주 회로로 다시 흐르는 반면, 비응축성 가스는 낮은 밀도로 인하여 팽창 탱크(176) 내에 체류하는 경향이 있다. (a) 소정 시간 동안 밸브를 제어하여 개방하고, 그 후 (b) 소정 시간 동안 밸브를 제어하여 폐쇄하는 사이클은 작동 유체를 정화하는 데 사용되고, 이러한 사이클은 팽창 탱크(176) 내의 가급적 많은 질소를 회수하기 위하여 에너지 회수 시스템의 작동 개시 중에 수 회(예를 들면 약 3회 내지 5회) 반복될 수도 있다. 전술한 (6kW의) 시스템에서, 제어 밸브(174)는 1분 동안 개방된 후에 10분간 폐쇄된다. 제어 밸브(174)의 개방과 폐쇄는 수동으로 실시되거나, 적절한 제어기에 의해, 이 경우에 제어기(154)에 의해 자동으로 실시될 수도 있다.

시스템은 제어기(154)에 연결된 압력 센서를 포함하는 것이 바람직하고, 압력 센서는 팽창 장치(터빈)의 출구에서 압력을 감지하기 위해 배치된다. 또한, 시스템의 정상 작동 중에 압력이 누적되기 시작한다면 정화 사이클이 반복될 수 있고, 압력이 소정의 안전 임계치를 초과하였다는 사실을 압력 센서에서 감지하게 된다.

도 3은 도 1a의 터빈 유닛과 발전기의 커플링을 보다 상세히 나타낸다. 여기 에서, 터빈 유닛은 전체가 도면부호 114로 표기되고 발전기는 전체가 도면부호 120으로 표기되어 있다. 터빈 축는 축(302)을 중심으로 회전하고 발전기(120)의 회전자(306)의 일부를 형성하는 구획부(304)와 일체형이다. 대략 부분 원통형의 영구 자석(308)이 축(116)의 구획부(304)에 배치된다. 축(116) 상의 소정 위치에 자석(308)을 유지시키는 것은 유지 실린더(309)이다. 이 유지 실린더(CFRP와 같은 비자성 재료로 제조)는 축(116)의 고속 회전 중에 자석(308)이 이동하지 않는 것을 보장한다. 전류가 생성되는 다수의 권선(미도시)을 포함하는 회전자(311)는 당해 분야에 공지된 바와 같이 회전자(306) 주위에 장착되고 하우징(310) 내에 내포된다. 축(116)의 구획부(304)는 하우징(310)의 일단부에서 저널 베어링(312)에 의해 지지되고, 도면부호 314로 표기된 베어링의 타단부에서 베어링에 의해 지지되며, 이에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.

도 4는 도 3의 터빈-베어링 커플링의 확대도이다. 도시된 바와 같이, 터빈 유닛(114)은 제1 터빈 스테이지(402)와 제2 터빈 스테이지(404)를 포함한다. 터빈 유닛 하우징(408) 내의 공간(406) 내에 (p1의 압력으로) 존재하는 고압 가열 작동 유체는 제1 터빈 스테이지(402)의 유입 포트(410)로 진입하고 화살표 F의 방향으로 흐름으로써 축(116)에 확고히 장착된 제1 일련의 날개(412) 상에 유입된다. 그에 따라 고속으로 흐르는 작동 유체는 축(116)에 회전 에너지를 부여한다. 작동 유체는 제1 터빈 스테이지(402)를 (p3의 압력으로) 떠날 때에 화살표 G 방향으로 흐른다.

다음으로, p3(실질적으로 p1보다 낮으나 상당히 높음)의 (중간) 압력의 작동 유체는 도관(413)을 통과하고 다음의 터빈 스테이지(404)로 흐른다. 여기서, 작동 유체는 제2 터빈 스테이지(404)의 유입 포트(414)를 통해 진입하고 화살표 H의 방향으로 흐름으로써 축(116)에 확고히 장착된 제2 일련의 날개(416) 상에 유입된다. 그에 따라 고속으로 흐르는 작동 유체는 축(116)에 추가 회전 에너지를 부여한다. 작동 유체는 (압력 p2로) 제2 터빈 스테이지(404)를 떠날 때에 화살표 J 방향으로 흐른다. 따라서, p1 > p3 > p2이다.

도시된 바와 같이, 제2 터빈 스테이지(404)의 날개(416)의 축 방향 및 반경 방향 치수는 제1 터빈 스테이지(402)의 날개(412)의 치수보다 크다. 일 실시예에서, 직경이 동일한 2개의 터빈 스테이지가 존재하고, 제1 터빈 스테이지의 축 방향 치수는 직경의 3/10이고, 제2 터빈 스테이지의 축 방향 치수는 직경의 4/10이다. 또 다른 실시예에서, 3개의 터빈 스테이지가 존재한다. 제1, 제2 및 제3 터빈 스테이지의 직경의 비는 4:5:6이다. 제1 터빈 스테이지의 축 방향 크기는 각 직경의 0.375배이다. 제2 터빈 스테이지의 축 방향 치수는 각 직경의 0.35배이다. 제1 터빈 스테이지의 축 방향 치수는 각 직경의 0.33배이다.

터빈 스테이지를 제조하기 위한 재료의 선택이 중요하다. 시스템의 일 실시예에서, 알루미늄(Al 354, 고강도 주조 합금)이 사용되고, 보다 대형의 시스템(120kW)에서는 스테인레스 강(E3N)이 사용된다.

재료에 대한 주요 요건은 밀도에 대한 최대 인장 강도(UTS)의 비가 높아야 한다는 점이다. 고속 회전 시에, 재료 밀도가 높을수록 터빈 내의 응력이 높아지고, 따라서 비례적으로 높은 강도를 갖기 위해서는 보다 밀도가 높은 재료를 또한 필요로 한다.

일 실시예에 따라, 날개를 포함하는 터빈 스테이지(터빈 휠이라고도 칭함)는, 40% 카본 섬유로 채워진 폴리에테르에테르케톤(PEEK)와 같은 공학 플라스틱으로 제조된다. 그러한 재료는, 터빈 휠이 사출 성형에 의해 제조될 수 있기 때문에 비용이 매우 저렴하다는 장점이 있다. 플라스틱 터빈 휠은, 적절한 고정 기술에 의하여 예를 들면 강 축 상에 장착된다. 여러 터빈 재료의 물성을 표 1에 나타내었다.

[표 1]

재료	최대 인장 강도 (UTS)(MPa)	밀도 (kg/m³)	UTS/밀도
Al 354	331	2710	0.122140221
SS E3N	760	7800	0.097435897
PEEK 40% CF	241	1460	0.165068493
울턴 2400	248	1608	0.154228856
발록스 865	179	1634	0.109547124

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 최상의 재료(UTS/밀도 비가 가장 큰 재료)는 PEEK 40% CF이다. 터빈 스테이지의 제조에 사용 가능하고 적합한 다양한 플라스틱을 예시하기 위하여, 2개의 다른 고성능 플라스틱[울턴(Ultern) 2400과 발록스(Valox) 865]도 표 1에 포함되어 있다. 플라스틱 사용에 있어서 고려해야 할 점(표 1의 마지막 세 열)은, 채용될 수 있는 작업 온도(터빈 유입구 온도)에 미치는 효과이다. 알루미늄 터빈을 구비한 시스템에서는 이 온도가 200℃까지 일 수 있고, 스테인레스 강 터빈의 경우에 더욱 높을 수 있고, 예들 들어 PEEK 40% CF 터빈을 구비한 시스템은 150℃까지만 사용 가능하다. 후자의 경우에, 전체 시스템(100)의 사이클은 작업 온도를 고려하도록 설계된다.

도 4를 다시 참조하면, 터빈 스테이지(404)의 어깨부(420)에 고정 부착된 와셔(418)가 제공되고, 와셔의 타면은 베어링 부재(422)와 접촉하는데, 이에 대해서는 이하에서 상세히 설명하기로 하며, 운전 중에 작동 유체는 윤활을 제공하도록 와셔(418)와 베어링 부재(422) 사이의 공간으로 침투한다.

베어링 부재(422)는 대략 T 형상의 단면을 갖는다. 베어링 부재는 T 형상의 상부의 융기부에 제1 베어링면(424)을 포함하며, 사용 시에 이 표면은 전기자 구획부(304) 근방의 축(116) 상의 실질적으로 동일한 환형 및 크기의 제2 베어링면(426)과 대향하도록 배치된다. 베어링 부재(422)는 중앙 원통형 채널(428)을 구비하고, 그에 따라 축(116)의 외측 상의 제4 베어링면(432)과 대향하도록 배치된 베어링 부재(422) 상의 원통형 제3 베어링면(430)을 형성한다. 제5 베어링면(434)이 제1 베어링면(424)과 대향하는 베어링 부재(422)의 단부 상에 제공되고, 와셔(418)의 각 표면에 대향하도록 배치된다. 일 실시예에서, 작동 유체는 베어링 부재(422)의 대향 베어링면(424, 430, 434)들에 의해 한정되는 모든 공간으로 침투하고, 그에 따라 베어링의 윤활을 제공한다. 일 실시예에서 작동 유체는, 주류와는 별도로, 베어링 부재(422)의 외측 표면과 연통하는 유체 파이프(160)를 통한 펌프(144)(도 1a 참조)로부터의 액체로서 제공된다.

이러한 형태의 베어링은 2 방향성 스러스트 베어링을 제공하며, 베어링 부재(422)는 2개의 베어링면(424, 434)를 구비하여 2 방향으로 추력(thrust)을 수용할 수 있게 된다는 점을 이해할 수 있다.

도 5는, 유체 흐름을 나타내는 도 4의 베어링에 채용된 베어링 부재(422)를 상세히 나타낸다. 도 5a는 제1 베어링면(424)을 나타내는 단면도(end view)이다. T 형상의 상부를 형성하는 플랜지(502)에는, 베어링 부재(422)가 발전기(120)의 하우징(310)에 나사 연결 또는 볼트 연결되는 것을 가능하게 하는 2개의 나사공(502)이 제공된다. 6개의 등간격으로 방사상으로 뻗은 제1 긴(elongate) 홈(슬롯)(506)이 제1 베어링면(424)에 배치되고, 제1 베어링면(424)의 방사상 내측 단부(inner extremity)로부터 제1 베어링면(424)의 방사상 외측 단부를 향하여 연장되어, 윤활 유체의 통과를 가능하게 한다. 도 5b에 도시되어 있는 바와 같이, 각 홈(506)은 제1 베어링면(424)의 외측 단부(508)까지 정확히 도달하지는 않는다. 도 5a의 실시예에서 각 홈(506)에는 축 방향으로 뻗은 제2 윤활 채널(510)이 제공되고, 제2 윤활 채널은 이하에서 설명하는 원주 방향의 홈(또는 리세스)까지 연장된다.

다른 실시예에서, 각 홈(506)에 제2 윤활 채널(510)이 존재하지 않을 수도 있으며, 예를 들어 도 5c는 2개의 홈(506)에만 제2 윤활 채널이 제공된 경우를 나타낸다.

도 5d를 참조하면, 원주 방향으로 연장된 홈(홈)(512)이 베어링(422)의 외측 표면 내에 제공된다. 제1 윤활 채널(516)(여기서 채널들 중 4개, 원주 방향으로 등간격)이 원주 방향으로 연장된 홈(512)과 베어링 부재(422)의 내부 사이에 연장되어, 윤활 유체의 통과를 가능하게 한다. 도 5e에 도시되어 있는 바와 같이, 제2 윤활 채널(510)이 제1 베어링면(424)과 원주 방향의 홈(512) 사이에 연장된다. 제2 윤활 채널(510)의 단부는 도 5f에도 도시되어 있다. 도 5f는 제5 베어링면(434) 내에 배치된 다수(여기서 6개)의 제2 긴 홈(슬롯)(516)을 또한 나타낸다. 2개의 제2 긴 홈(516)은 전술한 원주 방향의 홈(512)까지 연장된 제2 윤활 채널을 구비한다. 도 5g는 홈과 채널을 달리 나타내고 있는 부분 단면도이다.

도 5e를 다시 참조하면, 윤활 유체는 화살표 K 방향으로 베어링 부재(433)로 유입된다. 유체는 제1 베어링면(424) 상의 제1 긴 홈(506)까지 화살표 L 방향으로 흐르고, 제5 베어링면(434) 상의 제2 긴 홈(516)까지 화살표 M 방향으로 흐르고, 베어링 부재의 내측 및 제3 베어링면(430)까지 화살표 N(지면을 관통) 방향으로 흐르고, 그에 따라 베어링을 윤활한다.

<실시예 1>

시스템의 일 실시예(6kW인 경우)에 대한 구체적인 값들을 아래에 나타내었다. 모든 압력은 단위가 바(절대압)이다. 모든 온도는 단위가 ℃이다. 작동 유체는 HFE-7100이다.

t1	t2	t3	t4	t5	t6	t7
180.0	123.4	111.0	165.0	130.0	65.0	55.0

p1	p2	p3
11.5	1.0	3.4

<실시예 2>

시스템의 제2 실시예(120kW인 경우)에 대한 구체적인 값들을 아래에 나타내었다. 모든 압력은 단위가 바(절대압)이다. 모든 온도는 단위가 oC이다. 작동 유체는 헥산이다.

t1	t2	t3	t4	t5	t6	t7
225.0	138.8	123.8	210.0	145.9	74.0	64.0

p1	p2	p3
19.5	1.0	-

시스템으로부터의 결과는, 열 회수 및 태양열 산업에 있어서 (110℃의 열원 유체 입력에 대한 10%부터 270℃의 열원 유체 입력에 대한 22%까지) 매우 유용한 열역학적 효율(열 입력에 대한 사용 가능한 전기 출력)을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 또 다른 태양으로서 도 1a의 터빈 유닛과 발전기의 대안적인 (자성) 커플링을 나타낸다. 도 6a의 도면은 커플링의 축 방향 단면도이며, 터빈 축(604)로 형성된 제1 회전 부재(602)와 제1 자성 부재(606)을 나타낸다. 또한, 제1 자성 부재(606)는, 철 또는 강으로 제조되고 축와 일체형인 전기자 부분(608)과 다수의 자성 구획부(610)를 포함하며, 이에 대해서는 이하에서 설명하기로 한다.

제1 회전 부재(602)는 터빈(미도시)과 작동 유체를 수용하는 하우징(612) 내측에 밀봉 상태로 밀폐되고, 하우징은 제1 자성 부재(606)를 수용하는 원통형 부분(614)을 포함한다. 원통형 부분(614)은 적어도 스테인레스 강, 니켈-크롬 합금(nimonic alloy) 또는 플라스틱과 같은 비자성 재료로 제조된다.

제2 회전 부재(616)는 제2 축(618) 및 이와 일체형이고 대략 원통형인 제2 자성 부재(620)를 포함한다. 제2 자성 부재는, 그 내측에 고정 부착된 다수의 제2 자성 구획부(624)를 구비하는 외측 지지 부재(622)를 포함한다.

도 6b에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 제1 회전 부재(602)는, 고속 회전 중에 제1 자성 구획부(610)를 제위치에 유지시키기 위하여, 제1 회전 부재의 적어도 원통형 부분 주위에 복합재료의 구속 외피(composite containment shell)(626)를 구비할 수도 있다. 구속 외피는 카본 섬유 강화 플라스틱(CFRP), 케 블라(kevlar), 또는 유리 섬유 강화 플라스틱(GRP)와 같은 복합재료로 제조될 수도 있다.

도 6c는 도 6a의 A-A에서의 횡단면도이다. 이 도면은 제1 자성 구획부(610)와 제2 자성 구획부(624)를 보다 상세히 나타낸다. 이 경우에, 각 구획부는 4개씩 존재한다. 자성 구획부는 길고 단면이 원판의 부채꼴(sector)과 유사하다. 자성 구획부는 페라이트 재료, 사마륨 코발트 또는 네오디뮴 철 보론과 같은 적절한 재료로 형성된 영구 자석이다. 자성 구획부의 남-북 방향은 도 6d에 개략적으로 도시된 바와 같이 반경 방향이다.

다시 도 6e를 참조하면, 도 6e는 제1 자성 재료(606')와 제2 자성 재료(620')가 실질적으로 디스크 형태인 대안적 실시예를 나타낸다. 제1 자성 부재(606')는 제1 장착 구획부(628)와 제1 자석 구획부(610')를 포함하고, 제2 자성 부재(620')는 제2 장착 구획부(630)와 제2 자석 구획부(624')를 포함한다. 이전의 실시예와 같이, 하우징의 비자성 부분(614')(도면부호 614와 유사하게, 전술한 비자성 재료로 제조)은, 서로 근접하고 있는 디스크 형태의 자성 부재(606, 620)의 면들을 분리한다.

제1 및 제2 자성 부재(606', 620')들의 하나 또는 모두의 자석 구획부에 대한 극(pole)의 배열이 도 6f에 개략적으로 도시되어 있다. 도 6g에도 도시되어 있는 바와 같이, 자석 구획부(610' 또는 624')의 면들의 극성은 자석 구획부로부터 자석 구획부로 접선 방향으로 지나갈 때마다 교호된다.

이러한 자석 배열은 터빈 축(604)로부터 발전기의 축(618)로의 회전 에너지 및 토크의 전달 및 연결을 가능하게 하고, 비교적 고속, 예를 들면 25000rpm 내지 50000rpm에서 이루어지도록 구성된다.

도 7a는 분리된 마이크로터빈 기반 시스템을 나타내고, 도 7b는 환열기를 구비한 마이크로터빈 기반 시스템을 나타내며, 도 7c와 도 7d는 각각 도 7a와 도 7b와 동일한 시스템이기는 하나 본 발명의 여러 태양에 따라 에너지 회수 시스템을 포함하는 마이크로터빈 기반 시스템을 나타낸다.

도 7a을 참조하면, 전체가 도면부호 700으로 표시된 마이크로터빈 시스템을 나타낸다. 그러한 시스템은 전형적으로 60kW 정도의 등급이고, 연료의 현장 연소로부터 전기를 생성하는 (가정용, 상업용, 정부 기관용 등의) 중형 내지 대형 건물에 사용된다.

마이크로터빈 시스템(700)은, 연료 공급 라인(704) 및 공기와 같은 산소 함유 가스를 공급하는 공기 공급 라인(706)이 제공된 연소기(702)를 포함한다. 라인(704)을 통해 공급되는 연료는 예를 들면 천연 가스, 디젤 또는 등유일 수 있다. 연소기(702)로부터의 배기 고온 가스는 배기 도관(708)을 통해 터빈(710)으로 이송되어 터빈 축(712)에 회전 에너지를 부여한다. 터빈 축(712)는 (예를 들면, 당해 분야에 공지되어 있는 바와 같이 발전기를 포함하고, 따라서 전기 에너지를 생성하는) 발전기(714)와 압축기(716)를 구동시킨다. 압축기(716)는 유입구(718)를 통해 공기를 추출하고 압축하여, 상승된 압력의 공기를 공기 공급 라인(706)을 통해 연소기(702)에 공급한다.

터빈(710)의 배기 배출구(720)는 전형적으로 아직 고온인 가스를 대기 중으 로 방출하고, 그에 따라 열을 낭비한다. 비록 배기 가스 내의 열 에너지의 일부가 마이크로터빈이 존재하는 건물 내의 난방을 위해 사용되기는 하나, 열의 적어도 일부는 고온 가스의 방출로 손실된다. 예를 들면, 몇몇 시스템에서 생성된 전기는 60kW 정도일 수 있고 생성된 열은 400kW 정도일 수 있다. 시스템의 전기 효율은 구성요소를 부가함으로써 개선될 수 있다.

도 7b는 도 7a의 마이크로터빈 시스템의 대안적 구성을 나타낸다. 여기에서, 환열기(722)가 추가로 채용되어, 터빈(710)의 배출구(720)에서 고온의 배기 가스가 환열기에 공급된다. 환열기(722)는 규격품(off-the-shelf)의 열교환기일 수 있으나, 적절하기로는 목적에 따른 주문형의 열교환기이다. 여기에서 공기 공급 라인(706)은 연소기(702)에 연결되지 않고 환열기(722)에 제공된다. 따라서, 사용 시에 환열기(722)는 터빈(710)의 배기 가스로부터 열을 추출하고, 환열 공기 공급 라인(724)을 통해 연소기(702)로 지나가는 공기를 예열하기 위해 사용된다. 그럼에도 불구하고, 환열기(722)는 환열기 배출구(726)를 통하여 아직 온난한 배기 가스를 방출한다.

시스템에 미치는 환열기의 효과는 표 2의 처음 두 열로부터 알 수 있다.

[표 2]

시스템	전기 출력 (kW)			열 입력 (100℃쪽으로)	전기 효율
시스템	마이크로터빈	ERS	합계	열 입력 (100℃쪽으로)	전기 효율
마이크로터빈	60.0	0.0	60.0	200.0	16.0
환열 마이크로터빈	60.0	0.0	60.0	100.0	26.0
ERS를 구비한 마이크로터빈	60.0	32.5	92.5	13.5	24.7
ERS를 구비한 환열 마이크로터빈	60.0	14.5	74.5	13.0	34.8

두 번째의 두 열 내의 데이터에 대하여 이하에서 설명한다. 환열기에 의한 공기 공급의 가열은 열의 활용을 개선하고 따라서 도 7b 내의 시스템의 전기 효율을 개선(26% 대 16%)한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 단점은, 많은 에너지가 배기 가스의 열 내에 아직 포함되어 있고 전기 효율이 최적화되지 않았다는 점이다. 또한, 환열기는 고가이고 신뢰성이 높지 않으며, 운전 중에 환열기가 고장나면 전체 시스템의 작동이 중단된다.

도 7c와 도 7d는, 전체가 도면부호 100으로 표시된 에너지 회수 시스템(ERS)을 본 발명에 따라 포함하고 도 7a와 도 7b와 각각 동일한 시스템을 나타낸다. 에너지 회수 시스템(100)은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같은 시스템과 동일한 것이 바람직하고, 따라서 보다 상세한 설명은 생략한다.

도 7c의 구성에 있어서, 터빈 배기 가스(720)는 라인(728)을 통하여 중간 열교환기(730)에 공급되고, 중간 열교환기는 사용 시에 터빈 배기 가스(720)보다 온도가 낮은 배기 가스를 방출하는 중간 열교환기 배기 배출구(732)를 구비한다. 운전 시에, 예를 들면, BP 트란스칼(Transcal) N과 같은 열전달 오일은 라인(734, 736)들을 통하여 에너지 회수 시스템(100)의 중간 열교환기(730)와 주 열교환기(또 는 보일러)(102) 사이에서 순환한다. 열전달 오일 내의 열은 주 열교환기 내의 작동 유체 내로 전달되고, 그에 따라 도 1 등을 참조하여 전술한 바와 같은 전기 에너지가 생성될 수 있는 열원을 제공한다.

도 7d의 구성에 있어서, 중간 열교환기(730)에 공급하는 것은 환열기 배출구(726)이고, 따라서 중간 열교환기(730) 내에 전달되는 데 이용될 수 있는 열의 양은 전술한 구성보다는 작다. 그러나, 운전 방법은 동일하다.

중간 열교환기(730)의 이러한 이용의 바람직한 효과는, 아주 고온일 수 있는 배기 온도로부터 (랭킨 사이클의) 에너지 회수 시스템을 분리하는 점, 시스템의 제어가 향상될 수 있다는 점, 및 에너지 회수 시스템(100) 없이(무관하게) 마이크로터빈(700)의 운전이 가능하다는 점이다.

특정 실시예를 고려(표 2의 세 번째 및 네 번째 열을 참조)하면 그 밖의 효과도 명확하다. 이 경우에, 60kW 마이크로터빈이다.

1. 시스템의 총 전기 효율은 실질적으로 증가하는데, 도 7c의 시스템에서 도 7b의 환열 시스템의 수준 정도로 향상된다. 총 전기 효율은 도 7d의 환열 시스템에서 거의 35%까지 증가하며, 이러한 규모의 유닛에서는 높은 것이다.

2. 총 전기 출력이 증가한다. 도 7c의 환열 마이크로터빈에 의한 출력은 92.5kW이고, 도 7d의 환열 마이크로터빈에 의한 출력은 74.5kW이다.

전술한 바와 같이, 도 7b의 시스템에서의 환열기(722)와는 달리, 에너지 회수 시스템(100)의 사용의 또 다른 장점은, 운전 중에 고장이 나거나 조업을 중지할 경우에, 마이크로터빈 시스템(700)이 영향을 받지 않고 에너지 회수 시스템(100)의 상태와는 무관하게 작동을 계속할 수 있다는 점이다. 시스템의 유일한 단점은, 배기(표 2의 다섯 번째 열) 내의 이용 가능한 열이 훨씬 적다는 것이다. 열은, 충분히 사용하기에는 너무 낮은 50℃ 정도에서 폐열로서 처리된다. 그러나, 목적은 보다 유용한 전기를 추출하는 것이다.

도 8a는 내연 기관(IC 엔진) 기반의 에너지 생성 시스템을 나타내고, 도 8b는 본 발명에 따라 에너지 회수 시스템을 포함하고 도 8a와 동일한 시스템을 나타낸다. 도 8a을 참조하면, 전체가 도면부호 800으로 표시된 에너지 생성 시스템은, 연료 공급 라인(804)과 공기 공급 라인(806)을 구비하는 왕복동 IC 엔진(802)을 포함한다. IC 엔진(802)의 냉각은 냉각수 유입구(808)와 배출구(810)에 의해 용이하게 이루어져, 운전 중에 엔진의 온도가 감소한다. IC 엔진은, 공지의 기술의 사용에 의하여, 적절한 기어, 커플링(coupling) 등 및 축(812)를 통하여 발생기(814)에, 예를 들면 발전기에 구동력을 제공하다. 시스템에서는, 공지되어 있는 바와 같이, 내연 기관(802)의 배기 행정 중에 배기 배출구(816)를 통하여 고온 배기 가스가 배출되고, 이러한 고온 가스는 열과 파워가 조합된 분야에 사용되는 배기 가스 열교환기 또는 보일러(818)에 공급된다.

도 8b를 다시 참조하면, 도 8b는 도 1a의 에너지 회수 시스템(100)을 포함하는 도 8a의 시스템을 나타낸다. 여기에서, 보일러(818)는 (도 7c에서와 같은) 중간 열교환기(730)로 대체되며, 중간 열교환기는 라인(734, 736)들에 의해 제공되는 열전달 오일 회로에 의하여 에너지 시스템(100)에 열을 전달한다.

도 8b의 시스템에서, 배출구(810)로부터 배출된 엔진 냉각수는 열원으로서도 이용 가능하고, 이는 본 시스템 내의 에너지 회수 시스템의 전개에 영향을 받지 않는다.

도 7c와 도 7d의 시스템의 경우에, 에너지 회수 시스템(100)의 존재는 전기 파워 출력을 증가시키고 전기 효율을 상승시킨다. 표 3은 전형적인 90kW 왕복동 천연 가스 엔진에 대한 결과를 나타낸다.

[표 3]

시스템	전기 출력 (kW)			열 출력 - 엔진 냉각수 (kW) (90℃)	열 출력 - 배기 가스 (kW)	전기 효율 (%)
시스템	왕복동 엔진	ERS	합계	열 출력 - 엔진 냉각수 (kW) (90℃)	열 출력 - 배기 가스 (kW)	전기 효율 (%)
왕복동 엔진	90	0.0	90.0	63.0	77.0	33.0
ERS를 구비한 왕복동 엔진	90.0	7.0	97.0	63.0	0.0	35.6

도 9는 본 발명의 또 다른 태양에 따라 에너지 회수 시스템(100)을 포함하는 연소탑 기반의 에너지 생성 시스템을 나타낸다. 연소탑은, 연소 가스를 포함하는 과잉 또는 낭비되는 산물의 가스 공급이 존재하는 쓰레기 매립지, 유전 및 기타 장소에서 채용되는 탑형 구조체이다.

쓰레기 매립지에서, 쓰레기 매립 가스가 생성되고 처리되어야 하며, 종종 환경을 오염시킨다. 쓰레기 매립 가스는 주로 메탄으로서 많은 불순물을 함유한다. 전형적인 한 장소에서의 조성을 표 4에 나타내었다. 그러나, 장소에 따라서는 메탄이 50%를 초과하는 것으로 보고되어 있기도 한다. 조성물의 유형과 양은 쓰레기 매립지의 페기물의 형태에 따라 상당히 달라진다.

[표 4]

구성물질	용적
CH₄	35%
N₂	25%
O₂	5%
CO₂	40%
H₂S	232ppmv
VOCs	743ppmv

도 9를 다시 참조하면, 도시되어 있는 바와 같이 연소탑(900)은 가스가 송풍기(904)를 통해 송풍되는 기저 스테이지(902)를 포함한다. 기저 스테이지의 바로 위에는, 쓰레기 매립 가스가 유입구(906)를 통해 지나가는(펌핑에 의해 포함하는) 연소 스테이지(904)가 존재한다. 연소 스테이지(904) 위에는, 쓰레기 매립 가스가 공기 공급과 혼합되는 혼합 스테이지(908)가 존재하며, 공기는 공기 유입구(910)를 통해 혼합 스테이지 내로 실려 온다.

도 7과 도 9의 경우에서와 같이, 본 실시예에서도 연소탑(900)의 상부 스테이지로서 중간 열교환기(730)가 제공된다. 또한, 라인(734, 736)을 통해 순환하는 열전달 오일을 이용하여, 중간 열교환기(730)는 도 1a와 관련하여 전술한 에너지 회수 시스템(100)의 주 열교환기(102)용 열원을 제공한다.

연소탑에 있어서, 전형적인 열 출력은 5MW 정도의 범위이다. 중간 열전달 오일 회로에 의한 에너지 회수 시스템(100)을 이용하여, 연소탑의 배기로부터 열이 회수될 수 있다. 에너지 회수 시스템(100)에 의해 생성된 전기력은 그리드로 이송될 수 있다. 대안적 또는 부가적으로, 에너지 회수 시스템(100)은 송풍기(904)에 전기적으로 연결되어 송풍기에 전기력을 공급한다. (기저 스테이지(902) 내에서) 증가된 공기를 연소탑(900) 내로 송풍하는 효과는, 연소 온도를 낮춤으로써 연소탑 자체로부터의 방출을 감소시키고, 이와 같은 방법으로 질소 산화물의 방출이 감소될 수 있다. 또한, 열교환기(730)를 추가하여 연소탑(900) 내에서의 체류 시간을 증가시키면 화학 반응이 일어날 시간이 증가하므로, 연소탑으로부터의 유해 방출물을 감소시킬 수도 있다.

데이터에 의하면, 이러한 기술이 채용될 수 있는 연소탑의 수가 몇몇 국가에서는 수백에 이르고 몇몇 국가에서는 수천 정도에 이른다. 총 1MW를 출력하는 연소탑의 경우에, 200kW 내지 250kW 정도의 전기 에너지가 전술한 시스템의 사용에 의하여 회수될 수도 있는 것으로 생각된다. 이는, 많은 연소탑들이 원거리의 지방 영역(쓰레기 매립지, 유전)에 위치하기 때문에 특히 유용하고, 가급적 많은 전기 에너지가 현장에서 생성되기 때문에 특히 바람직하다.

Claims

순환하는 작동 유체를 구비한, 열원으로부터 전기 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템으로서,

열원 유체를 받아들여 열원의 열의 적어도 일부를 받아들이며 작동 유체를 받아들여서 열을 열원 유체로부터 작동 유체로 전달하는 제1 열교환기와;

제1 열교환기로부터 나오는 작동 유체를 받아들여서 기계적 에너지를 부여받을 수 있도록 설치된 팽창 유닛과;

상기 팽창 유닛에 결합되어 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기 기계적 변환 유닛과;

상기 팽창 유닛과 제1 열교환기에 결합되어 팽창 유닛으로부터 작동 유체를 받아들이고 그 작동 유체를 냉각시키며 냉각된 작동 유체를 제1 열교환기로 공급하는 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제1항에 있어서,

에너지 회수 시스템이 순환하는 작동 유체를 구비한 폐쇄형 시스템이고,

제1 열교환기는 제1 온도의 열을 갖는 열원 유체를 받아들여서 폐기 유체를 제2 온도로 배출하며 제3 온도의 작동 유체를 받아들여서 작동 유체를 상기 제3 온도 및 작동 유체의 비등점보다 높은 제4 온도로 배출하고;

상기 팽창 유닛은 상기 제1 열교환기로부터 제1 압력으로 나오는 작동 유체 를 받아들여서 그 작동 유체를 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 출력함으로써 터빈 축에 회전 에너지를 부여하는 터빈 유닛을 포함하고;

상기 전기 기계적 변환 유닛은 상기 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위하여 터빈 축에 결합된 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제2항에 있어서,

상기 냉각 시스템은, 터빈 유닛과 제1 열교환기에 결합되어 제5 온도에 있는 터빈 유닛으로부터 나오는 제1 공급의 작동 유체를 받아들여서 상기 제1 공급의 작동 유체를 상기 제5 온도보다 낮은 제6 온도로 배출하는 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제2 열교환기는 제7 온도에 있는 액체 형태의 제2 공급의 작동 유체를 받아들여서 상기 제2 공급의 작동 유체로부터 작동 유체를 상기 제1 열교환기에 제3 온도로 배출하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제3항에 있어서,

상기 냉각 시스템은, 상기 제2 열교환기에 결합되며 냉각 유체 공급을 받아들이도록 구성되어서 제2 열교환기에 의해 제6 온도로 배출되는 작동 유체를 받아들여서 그 작동 유체를 상기 제6 온도보다 낮으며 작동 유체의 비등점보다 낮은 제7의 온도에서 액체 형태로 배출하는 응축 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제4항에 있어서,

상기 냉각 시스템은, 냉각 유닛에 결합되어서 제7 온도의 액체 작동 유체를 받아들여서 그 액체 작동 유체를 제2 열교환기로 배출하고 그에 의해 제2 열교환기로의 제2 공급의 작동 유체를 제공하게 되는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 온도는 약 110 내지 225℃인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

제2 온도는 약 80 내지 140℃인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 온도는 약 180℃이고, 제2 온도는 약 123℃인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

제1 압력은 약 10 내지 30 바의 절대 압력인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

제2 압력은 약 0.5 내지 2 바의 절대 압력인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

터빈 축은 터빈 유닛 내의 베어링에 장착되고, 작동 유체는 베어링에 윤활이 제공되도록 터빈 유닛을 침투하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

작동 유체는 알칸계로부터 선택된 단성분 유체인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

작동 유체는 약 30 내지 110℃의 비등점을 갖는 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

전기 기계적 변환 유닛은 전류를 출력하기에 적합한 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

전기 기계적 변환 유닛은, 상기 발전기에 결합되어서 발전기로부터 받은 전류의 주파수를 변환시켜서 그 전류를 주 주파수로 출력하는 전기 컨디셔닝 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

팽창 유닛은, 축과 그 축에 장착된 적어도 하나의 터빈 스테이지를 구비하는 터빈 유닛을 포함하고, 상기 터빈 스테이지는 한 조의 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제16항에 있어서,

적어도 하나의 터빈 스테이지는 알루미늄 또는 강으로 제조된 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제16항에 있어서,

상기 적어도 하나의 터빈 스테이지는 플라스틱 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제18항에 있어서,

상기 플라스틱 재료는 (a) 40% 탄소 섬유를 함유하는 폴리에테르에테르케톤 (PEEK: polyetheretherketone)과 같은 탄소 섬유 함유 폴리에테르에테르케톤, (b) 울턴(Ultern) 2400, 또는 (c) 발록스(Valox) 865인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
첨부된 도면을 참고하여 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같은 에너지 회수 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항의 에너지 회수 시스템에서 HFE-7100 또는 헥산 또는 물을 작동 유체 및/또는 윤활 유체로서 사용하는 용도.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항의 에너지 회수 시스템에서 알칸계 중에서 한 종을 작동 유체 및/또는 윤활 유체로서 사용하는 용도.
전기 에너지 발생 시스템에 있어서,

연료 공급원에 결합되어 연료를 연소시키고 제1 배기 유체를 배출하는 연소 유닛과, 상기 제1 배기 유체를 받아들임으로써 회전 에너지를 사용 시에 터빈 축에 부여받고 제2 배기 유체를 배출하는 터빈을 포함하는, 마이크로터빈 시스템과;

상기 제2 배기 유체를 받아들여서 제2 배기 유체로부터 나오는 열을 중간 열교환 유체로 전달하고 열전달이 이루어진 후에는 중간 열교환기 유체를 배출하도록 결합된 중간 열교환기 유닛과;

제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하고,

에너지 변환 시스템이, 열 공급원을 구성하는 상기 중간 열교환기 유체를 받아들기 위하여 결합된 제1 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제23항에 있어서,

마이크로터빈 시스템은, 터빈과 연소 유닛에 결합되어 사용 시에 터빈 축에 의해 구동되는 압축기를 추가로 포함하고,

상기 압축기는 산소 함유 유체를 공급받아서 그 산소 함유 유체를 사용 중인 상태에서 압축 상태로 연소 유닛으로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제23항 또는 제24항에 있어서,

마이크로터빈 시스템은, 터빈에 결합되어서 사용 시에 터빈 축에 의해서 구동되며 전기 에너지를 출력하는 발전기도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,

터빈과 중간 열교환기 유닛 사이에 설치되며 제2 배기 유체를 받아들여서 중간 열교환기 유닛으로 제3 배기 유체를 배출하도록 결합된 환열기(recuperator)를 추가로 포함하고,

상기 환열기는 일례로 압축기로부터 나오는 산소 함유 유체를 공급받아서 제2 배기 유체로부터 열을 전달받은 후에 산소 함유 유체를 연소기(combustor)로 보내도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제26항에 있어서,

상기 환열기는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
전기 에너지 발생 시스템에 있어서,

연료 공급원에 결합되어 연료를 연소시키고 엔진 연소 유체를 배출하며 사용 시에 회전 에너지를 구동축에 부여하는 내연 기관을 포함하는 내부 연소 시스템과;

상기 엔진 연소 유체를 받아들여서 엔진 연소 유체로부터 나오는 열을 중간 열교환 유체로 전달하고 열전달이 이루어진 후에는 중간 열교환기 유체를 배출하도록 결합된 중간 열교환기 유닛과;

제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하고,

에너지 변환 시스템이, 열 공급원을 구성하는 상기 중간 열교환기 유체를 받아들기 위하여 결합된 제1 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제28항에 있어서,

내부 연소 시스템은, 그 내부 연소 시스템에 결합되어 사용시에 구동 축에 의해 구동되며 전기 에너지를 출력하는 발전기도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제28항 또는 제29항에 있어서,

내부 연소 시스템은, 연료 공급원 및 산소 함유 유체 공급원에 연결된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
전기 에너지 발생 시스템에 있어서,

폐가스 처리 스택으로서, 산소 함유 가스를 폐가스 처리 스택으로 취입시키는 송풍기(blower)를 포함하는 기부 스테이지와, 연소 가능한 가스이거나 그와 같은 가스를 포함하는 가스인 폐가스 공급원에 결합되고 기부 스테이지에 인접하며 사용 시에 폐가스를 상기 산소 함유 가스 내에서 연소시키도록 구성된 연소 스테이지와, 상기 연소 스테이지에 인접하며, 상기 연소 스테이지로부터 나온 연소기 배기 가스와 혼합된 공기를 포함하는 혼합 가스를 발생시키도록 구성된 혼합기 스테이지를 포함하는, 폐가스 처리 스택과;

상기 혼합 가스를 받아들여서 혼합 가스로부터 나오는 열을 중간 열교환 유체로 전달하고 열전달이 이루어진 후에는 중간 열교환기 유체를 배출하도록 결합된 중간 열교환기 유닛과;

제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하고,

에너지 변환 시스템이, 열 공급원을 구성하는 상기 중간 열교환기 유체를 받아들기 위하여 결합된 제1 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제31항에 있어서,

상기 송풍기(blower)는, 전기 구동식 송풍기를 포함하고, 전기 기계적 변환 유닛에 전기적으로 결합되고, 사용 시에 에너지 변환 시스템에 의해서 발생된 전기 에너지의 적어도 일부에 의해 구동력을 받는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,

중간 열교환기 유닛은 열 교환기를 포함하고, 그리고/또는 중간 열 교환기 유체는 열 전달 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 시스템.
축방향 내부 유동 터빈 유닛에 있어서,

제1 압력의 유체를 받아들이는 유입구를 구비하는 하우징과, 하우징 내의 베어링에 장착되며 회전축을 갖는 축과, 상기 축에 설치된 터빈을 포함하고;

상기 터빈은, 축에 장착된 제1의 일련의 베인을 포함하는 제1 터빈 스테이지와, 축에 장착된 제2의 일련의 베인을 포함하는 제2 터빈 스테이지와, 제1 터빈 스 테이지를 빠져나오는 유체를 제2 터빈 스테이지로 보내는 도관을 포함하고;

상기 유입구에서 받아들여진 유체는 제1의 일련의 베인에 반경 방향으로 입사하여 제1 터빈 스테이지로부터 제3 압력에서 제1의 소정 방향으로 배출되고, 상기 제2 터빈 스테이지에서 받아들여진 유체는 제2의 일련의 베인에 반경 방향으로 입사하여 제2 터빈 스테이지로부터 제2 압력에서 제2의 소정 방향으로 배출되고, 상기 제1 터빈 스테이지와 제2 터빈 스테이지 모두에서 유체가 축에 회전 에너지를 부여하는 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항에 있어서,

제1 압력은 제3 압력보다 크고, 제3 압력은 제2 압력보다 큰 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 또는 제35항에 있어서,

제1 압력은 제2 압력의 약 2 내지 10배인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 또는 제35항에 있어서,

제3 압력은 제2 압력의 약 3 내지 4배인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,

제2 터빈 스테이지의 반경 방향 치수는 제1 터빈 스테이지의 반경 방향 치수보다 큰 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제38항에 있어서, 제2 터빈 스테이지의 반경 방향 치수는 제1 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 약 1.25배인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 터빈 스테이지의 축방향 치수는 제1 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 0.3 내지 0.375배인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,

제2 터빈 스테이지의 축방향 치수는 제2 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 0.35 내지 0.4배인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,

축에 장착된 제3의 일련의 베인을 포함하는 제3 터빈 스테이지와, 제2 터빈 스테이지를 빠져나오는 유체를 제3 터빈 스테이지로 보내는 도관도 추가로 포함하고;

상기 제3 터빈 스테이지에서 받아들여진 유체는 제3의 일련의 베인에 반경 방향으로 입사하여 제3 터빈 스테이지로부터 제4 압력에서 제3의 소정 방향으로 배출되고, 제1 터빈 스테이지와 제2 터빈 스테이지와 제3 터빈 스테이지에서 유체가 축에 회전 에너지를 부여하는 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제42항에 있어서, 제3 터빈 스테이지의 축방향 치수는 제3 터빈 스테이지의 반경 방향 치수의 약 1/3배인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,

제1의 소정 방향, 제2의 소정 방향, 및/또는 제3의 소정 방향은 대체로 축방향인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,

유체는 가스인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,

유체는 HFE-7100이나 혹은 헥산 혹은 물인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,

유체는 알칸계 중의 1종인 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
제34항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체는 베어링에 윤활을 제공할 수 있도록 하우징을 침투하는 것을 특징으로 하는 축방향 내부 유동 터빈 유닛.
첨부된 도면을 참고하여 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같은 터빈 유닛.
폐열 공급원으로부터 에너지를 추출하는 폐에너지 회수 시스템에 있어서,

순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템이고,

열 교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 제34항 내지 제49항 중 어느 한 항에 따른 터빈 유닛을 포함하고,

상기 열 교환기는 사용 시에 작동 유체를 터빈으로 공급하는 것을 특징으로 하는 폐에너지 회수 시스템.
적어도 부분적으로는 하우징 내에 설치되며 축선을 중심으로 회전하는 축을 지지하는 베어링에 있어서,

하우징에 고정 부착되고, 제1 베어링면과, 제1 베어링 면에 대향된 축 상의 제2 베어링 면을 구비하며, 상기 제1 베어링면과 제2 베어링면은 축선을 대체로 가 로질러 연장되는 구성으로 된, 베어링 부재와;

축선에 대체로 평행하게 연장되는 제3 베어링면과 상기 제3 베어링면에 대향 배치된 축 상의 제4 베어링면을 한정하는 원통형 내부 채널을 포함하고, 상기 베어링 부재는 윤활 유체를 적어도 상기 제3 베어링면과 제4 베어링면 사이의 공간에는 공급하도록 구성된 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링.
제51항에 있어서, 베어링 부재는 대체로 T형인 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 베어링.
제51항 또는 제52항에 있어서, 베어링 부재는, 제1 베어링면에 대향된 단부에, 축선을 대체로 가로질러 연장된 제5 베어링면을 구비하는 것을 특징으로 하는 베어링.
제52항에 있어서, 베어링 부재의 제1 베어링면은, 베어링 부재의 내부 반경 방향 한계와 외부 반경 방향 한계 사이에서 부분적으로 연장되는 T형부의 상부의 융기된 환형면에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 베어링.
제53항에 있어서, 제1 베어링면에 대향된 공간으로 윤활 유체가 용이하게 유동하도록, 제1 베어링면에서 반경 방향으로 연장되는 다수의 긴 제1 홈들이 마련된것을 특징으로 하는 베어링.
제55항에 있어서, 상기 제1 홈들은 제1 베어링면의 내부 반경 방향 한계와 외부 반경 방향 한계 사이에서 부분적으로 연장된 것을 특징으로 하는 베어링.
제53항 내지 제56 중 어느 한 항에 있어서,

제4 베어링면에 대향된 공간으로 윤활 유체가 용이하게 유동하도록, 제5 베어링면에서 반경 방향으로 연장되는 다수의 긴 제2 홈들이 마련된 것을 특징으로 하는 베어링.
제57항에 있어서,

상기 제2 홈들은 제5 베어링면의 내부 반경 방향 한계와 외부 반경 방향 한계 사이에서 부분적으로 연장된 것을 특징으로 하는 베어링.
제52항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,

T형 베어링 부재의 긴 부분의 양 단부 사이의 한 지점에서, 베어링 부재의 반경 방향 외부 한계에 있는 표면에 원주 방향 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 베어링.
제59항에 있어서, 베어링 부재의 외부와 내부 원통형 채널 사이에서 윤활 유체가 유동할 수 있도록 하기 위해, 베어링 부재의 원주 방향 홈과 내부 반경 방향 한계 사이에서 반경 방향으로 연장되는 다수의 제1 윤활 채널이 마련된 것을 특징으로 하는 베어링.
제58항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서,

베어링 부재는 다수의 제2 윤활 채널을 포함하고, 상기 제2 윤활 채널 각각은 제1 베어링면 상의 제1 긴 홈과 이에 대향되는 제5 베어링면 상의 제2 긴 홈 사이에서 축방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 베어링.
제51항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 긴 홈 및/또는 제2 긴 홈의 수는 2 내지 8개이고, 바람직하기로는 6개인 것을 특징으로 하는 베어링.
제51항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서,

제2 윤활 채널의 수는 2 내지 8개인 것을 특징으로 하는 베어링.
제51항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,

와셔를 추가로 포함하고,

상기 와셔는 사용 시에 그 한 면이 베어링 부재의 제5 면과 맞닿고 다른 한 면이 일례로 터빈과 같은 구동 요소의 대응하는 면에 맞닿도록 구성된 것을 특징으로 하는 베어링.
첨부된 도면을 참고하여 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같은 베어링.
폐열 공급원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에 있어서,

순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템이고,

열 교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 터빈 유닛을 포함하고,

상기 열 교환기는 사용 시에 작동 유체를 가스 상태로 터빈으로 공급하고, 터빈 유닛은 축을 거쳐서 전기 기계적 변환 유닛에 기계적으로 결합되고, 축은 제51항 내지 제65항 중 어느 한 항에 따른 베어링에 의해 지지된 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제66항에 있어서,

베어링 부재의 외부로 작동 유체가 공급되어서 베어링을 위한 윤활 유체가 제공될 수 있도록, 냉각 시스템으로부터 베어링으로 이어지는 보조 유체 공급관도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
제67항에 있어서,

작동 유체는 베어링에 액체 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.
회전식 자성 커플링에 있어서,

제1 자성 부재가 위에 배치되어 있고 사용 시에는 회전 에너지 공급원에 의해 구동되는 제1 축을 구비하는, 제1 회전 부재와;

제2 자성 부재가 위에 배치되어 있는 제2 축을 구비하고, 사용 시에는 제1 자성 부재와 제2 자성 부재 사이의 커플링을 통해서 제1 회전 부재로부터 회전 에너지를 받는, 제2 회전 부재를 포함하고,

상기 제1 자성 부재와 제2 자성 부재 중 어느 하나 또는 둘 모두는 상기 제1 축과 제2 축의 축선에 대해서 다른 각도의 위치로 배치된 다수의 자성 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항에 있어서,

제1 회전 부재는 기밀된 하우징 내에 배치되고,

하우징의 일부는 제1 회전 부재와 제2 회전 부재 사이에 배치되고 비자성 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제70항에 있어서,

비자성 재료에는 스테인레스 강, 니켈 크롬 합금(nimonic alloy), 또는 플라스틱이 포함되는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 또는 제70항에 있어서,

제1 자성 부재는, 제1 축과 일체인 대체로 원통형인 내부 전기자 부분과, 상기 전기자의 외부에 고정 부착된 다수의 제1 자성 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,

제2 자성 부재는, 제2 축과 일체인 대체로 원통형인 외부 지지부와, 상기 지지부의 내부에 고정 부착된 다수의 제2 자성 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자성 부재는, 제1 축이 고속 회전하는 중에 제1 자성 구획부를 제위치에 유지시키기 위한, 제1 자성 구획부의 외부에 배치된 구속 외피(containment shell)도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제73항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구속 외피는 일례로 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRF), 케블라(Kevlar), 또는 유리 섬유 강화 플라스틱(GRP)과 같은 복합 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제70항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자성 부재는 제2 자성 부재 내측에 배치되고 하우징 부분에 의해 제2 자성 부재로부터 분리된 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서,

자성 구획부는 각각의 N-S 방향이 반경 방향으로 연장되는 양극 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자성 부재는, 대체로 원반형이고, 다수의 제1 자석 구획부를 안에 고정 장착시킨 제1 장착 구획부를 포함하고, 이에 의해 제1 자석 구획부들이 원반형을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제78항에 있어서,

제2 자성 부재는, 대체로 원반형이고, 다수의 제2 자석 구획부를 안에 고정 장착시킨 제2 장착 구획부를 포함하고, 이에 의해 제2 자석 구획부들이 원반형을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자석 구획부와 제2 자석 구획부는 원반의 부분(sector)들을 형성하는 것 을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제78항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자석 구획부와 제2 자석 구획부는 각각의 N-S 방향이 축방향으로 연장된 양극 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제78항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 원반형의 제1 자성 부재는 상기 원반형의 제2 자성 부재에 인접하게 축방향으로 정렬 배치되어 하우징의 부분에 의해 제2 자성 부재로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자성 부재 및/또는 제2 자성 부재의 자성 구획부의 수는 짝수개로서 2 이상인 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서,

제1 자성 부재 및/또는 제2 자성 부재의 자성 구획부의 수는 4개인 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
제69항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자석 구획부들은 페라이트 재료, 사마륨 코발트 또는 네오디뮴 철 보론으로 제조된 것을 특징으로 하는 회전식 자성 커플링.
첨부된 도면을 참고하여 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같은 자성 커플링.
폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 폐에너지 회수 시스템에 있어서,

순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템이고,

열 교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 터빈 유닛을 포함하고,

상기 터빈은 기밀 밀봉되고 제69항 내지 제86항 중 어느 한 항에 따른 자성 커플링에 의해 전기 기계적 변환 유닛에 결합된 것을 특징으로 하는 폐에너지 회수 시스템.
순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템인 에너지 회수 시스템으로서, 열 교환기와, 발전기를 포함하는 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템과, 터빈 유닛과, 상기 전기 기계적 변환 유닛에 결합되고 상기 발전기로부터 유도되는 전압을 변동시키는 구성으로 된 제어 시스템을 포함하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법에 있어서,

(a) 전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키는 단계와,

(b) 발전기의 출력을 측정하는 단계와,

(c) 상기 단계(b)에서 측정된 출력이 이전의 출력 이하이면, (i) 전압을 1 전압 스텝만큼 감소시키고 (ii) 전압을 1 전압 스텝만큼 감소시키는 단계(1)와 발전기의 출력을 측정하는 단계(2)를 반복하고; 상기 (ii)의 단계(2)에서 측정된 출력이 이전에 측정된 출력보다 크며 상기 단계(b)에서 측정된 출력이 이전의 출력보다 크면, (iii) 전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키고, (iv) 발전기의 출력을 측정하되, 상기 단계(iv)에서 측정되는 출력이 이전에 측정된 출력보다 큰 동안에는 상기 단계(iii)와 단계(iv)를 반복하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항에 있어서,

전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키는 각 단계는 전압을 1 전압 스텝만큼 감소시키는 단계로 대체되며, 역으로 전압을 1 전압 스텝만큼 감소키는 각 단계는 전압을 1 전압 스텝만큼 증가시키는 단계로 대체되는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항 또는 제89항에 있어서,

전압 스텝의 크기는 평균 전압의 약 1% 내지 2.5%인 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항, 제89항, 또는 제90항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단계(a)는 대략 매초마다 실행되는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,

발전기의 출력을 측정하는 단계는, 발전기의 출력으로부터 유도된 출력 전압 V를 측정하고, 발전기의 출력으로부터 유도된 출력 전류를 측정하여, 출력 = V*I를 산출하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,

발전기의 출력을 측정하는 단계는 별도의 출력 측정 장치를 이용하여 출력을 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서,

발전기 전압을 제1 주파수로부터 제2 주파수로 변환하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제94항에 있어서,

제1 주파수는 제2 주파수보다 높고, 제2 주파수는 주 공급원의 주파수와 거의 같은 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제94항 또는 제95항에 있어서,

전압을 변환시키는 단계는, 정류 회로를 이용하여 발전기의 출력을 정류하여 DC 전압을 유도하는 단계와, 출력 컨디셔닝 유닛을 이용하여 상기 DC 전압으로부터 AC 전압을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
제88항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서,

출력의 최종 측정치를 저장하는 단계도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 열원으로부터 에너지를 추출하는 에너지 회수 시스템에서 실행하는 방법.
첨부된 도면을 참고하여 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같은 에너지 회수 시스템을 제어하는 방법.
제88항 내지 제98항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위하여 적절하게 프로 그램된 프로그램가능 제어 시스템에 있어서,

프로세서, 메모리, 전기 기계적 변환 유닛에 결합된 인터페이스, 및 사용자 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로그램가능 제어 시스템.
제99항에 있어서,

AC 전압의 주파수를 변환시키는 주파수 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로그램가능 제어 시스템.
터빈과 같은 팽창 장치를 포함하고 그 팽창 장치를 통과하는 경로 내에서 순환하는 작동 유체를 구비하는 폐쇄형 시스템인 에너지 변환 시스템용의 작동 유체 정화 시스템에 있어서,

팽창 탱크와;

작동 유체를 수용하기 위해 연결된 가변 용적이 한정되도록 하는 팽창 탱크 내의 격막과;

상기 경로와 팽창 탱크 사이에 배치된 제어 밸브를 포함하고,

상기 제어 밸브는 가변 용적으로 들어가는 유체의 흐름 및/또는 가변 용적으로부터 나오는 유체의 흐름을 제어하도록 구성되고,

상기 제어 밸브는 도관을 거쳐서 경로의 연결 지점까지 연결되고,

상기 연결 지점은 상기 경로의 최고 지점에 있는 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제101항에 있어서,

상기 제어 밸브는 상기 연결 지점보다 높은 지점에 장착된 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제101항 또는 제102항에 있어서,

팽창 탱크는 상기 제어 밸브보다 높은 지점에 장착된 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

제어 밸브를 개폐하도록 구성된 제어기도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제104항에 있어서,

상기 제어기는, 제1의 사전 결정 시간 동안 제어 밸브를 개방하는 단계와 제2의 사전 결정 시간 동안 제어 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 정화 사이클을 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제105항에 있어서,

상기 제어기는 시스템이 켜진 이후의 사전 결정 지속 시간 중의 시동 순차에 서 다수의 정화 사이클을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제106항에 있어서,

상기 다수의 정화 사이클은 약 3 내지 5회의 정화 사이클을 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제105항 내지 제107항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1의 사전 결정 시간은 약 1분이고, 상기 제2의 사전 결정 시간은 약 10분인 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
제101항 내지 제108항 중 어느 한 항에 있어서,

제어기에 결합된 압력 센서도 추가로 포함하고,

상기 제어기는 센서에 의해 지시된 압력이 사전 결정 수준보다 높으면 적어도 1회의 정화 사이클을 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 작동 유체 정화 시스템.
첨부된 도면을 참고하여 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같은 작동 유체 정화 시스템.
열원으로부터 전기 에너지를 추출하기 위한 에너지 회수 시스템에 있어서,

제101항 내지 제110항 중 어느 한 항에 따른 작동 유체 정화 시스템과, 터빈과, 열교환기와, 전기 기계적 변환 유닛과, 냉각 시스템을 포함하고,

상기 열교환기는 사용 시에 작동 유체를 상기 터빈으로 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.