KR20080023189A - 자동차용 터보과급기 - Google Patents

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KR20080023189A
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air
turbine
high velocity
airflow
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KR1020070090995A
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안드레이 트리스탄 에벌렛
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

장치(192)가 제공된다. 이 장치(192)는 그 내부에 배기 가스 유동(202)을ㅂ발생시키도록 구성된 입구 매니폴드(200)와, 장치(192) 내에 기류를 도입하도록 구성된 공기 입구(204)와, 배기 가스 유동(202)을 통하여 유입 공기를 동반하여 고속 기류(208)를 발생시키도록 구성된 코안다 프로파일을 갖는 장치(192)의 표면을 포함한다.

Description

자동차용 터보과급기{TURBOCHARGER FOR A VEHICLE}
본 발명은 일반적으로 에너지 추출 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 추출 시스템의 효율을 향상시키는 장치에 관한 것이다.
다양한 유형의 에너지 추출 시스템이 공지되어 사용되고 있다. 예컨대, 가스 터빈은 연소 가스의 흐름으로부터 에너지를 추출하고 발전, 해양 추진, 가스 압축 폐열, 근해 플랫폼 전력(offshore platform power) 등의 용도에 사용되고 있다. 마찬가지로, 풍력 터빈은 바람의 기계적 에너지를 발전 등의 용도를 위해 기계적 일로 변환시킨다. 또한, 자동차에 이용되는 내연 기관은 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시킨다.
어떤 에너지 추출 시스템은, 압축기를 통해 공기를 압축하고 압축 공기를 연소실 내의 연료에 의해 연소하는 브레이튼 사이클을 이용한다. 또, 연소실로부터의 고온 가스가 기계적 일을 발생시키기 위한 터빈 또는 일련의 터빈을 통해 팽창된다. 전형적으로, 브레이튼 사이클계 시스템은 터빈을 통해 고온 가스를 팽창시키고 임의의 잔류 열은 이용하지 않고 주변 환경으로 낭비된다. 어떤 시스템에서는, 잔류 열의 회수를 위해 대형이고 고가의 복열장치(recuperator)가 사용되고 있 다. 그러나, 소형 시스템에서는 이 열을 회수하기 위해 그러한 복열장치를 사용하는 것은 비교적 비용이 많이든다.
따라서, 열 방출 손실(heat rejection loss)이 실질적으로 적고 고효율을 갖는 에너지 추출 시스템이 필요하다. 또한, 그러한 시스템의 열 손실을 최소화하여 효율을 향상시키기 위해 현존하는 에너지 추출 시스템과 통합될 수 있는 장치를 제공하는 것이 요망된다.
간략하게 설명하면, 일 실시예에 따르는 장치는, 그 장치 내부에서 배기 가스 흐름을 지향시키도록 구성된 입구 매니폴드와, 장치 내에 기류를 도입하도록 구성된 공기 입구를 포함하며, 그 장치의 적어도 하나의 표면은, 배기 가스 흐름을 통한 유입 공기를 동반하여 고속 기류를 발생시키도록 구성된 코안다 프로파일(Coanda profile)을 갖는다.
다른 실시예에서, 자동차용 터보과급기가 제공되는데, 이 터보과급기는 기류를 압축시키도록 구성된 압축기와, 샤프트를 회전시키기 위해 내연 기관으로부터의 배기 가스를 팽창시키도록 구성된 터빈을 포함한다. 또한, 터보과급기는, 터빈에 결합되고 그리고 고속 기류를 통해 기계적인 일을 발생시키기 위해서 배기 가스를 거쳐 유입 공기를 동반하도록 구성된 장치를 포함한다. 이 장치는, 코안다 프로파일을 갖는 장치의 적어도 하나의 표면을 포함하는데, 코안다 프로파일은 그 포로파일로의 배기 가스의 부착을 용이하게 하여 경계층을 형성하고 또 유입 공기를 동반하여 고속 기류를 발생키도록 구성되어 있다.
다른 실시예에 있어서, 하이브리드 장치가 제공되는데, 이 장치는 내연기관 및 그 내연기관에 결합된 터보과급기를 포함한다. 이 터보과급기는 기계적인 일을 발생시키기 위하여 내연 기관으로부터의 배기 가스를 팽창시키도록 구성된 터빈과, 터빈에 결합되고 그리고 코안다 프로파일을 따라 배기 가스를 도입하여 고속 기류를 통하여 기계적인 일을 발생시키기 위해서 유입 공기를 동반하도록 구성된 장치 를 포함한다. 또한, 이 장치는 기계적인 일로부터 전력을 생성하도록 구성된 발전기와, 자동차의 전기 모터를 구동하기 위한 전력을 축적하는 재충전 가능한 에너지 축적 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 하이브리드 차량의 작동 방법이 제공되는데, 이 방법은, 차량을 제1 작동 모드에서 구동하도록 내연기관을 작동시키는 단계와, 고속 기류를 통하여 기계적인 일을 발생시키도록 추가의 기류를 동반하기 위해 코안다 프로파일 위에서 내연기관으로부터 배기 가스를 도입하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 차량을 제2 작동 모드에서 구동하기 위해 기계적인 일로부터 전력을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면 및 이점들은 첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명으로부터 양호하게 이해될 것이다. 첨부 도면에서, 동일한 참조부호들은 동일한 부재들을 나타낸다.
이하 상세히 설명하는 바와 같이, 본 기술의 실시예들은, 시스템으로부터의 열손실을 최소화함으로써, 가스 터빈 및 풍력 터빈 시스템 등의 어떤 에너지 추출 시스템의 효율을 향상시키는 기능을 한다. 특히, 본 발명은 작동 유체 및 대기의 조합을 이용하여 기계적인 일과 동력을 발생시킨다. 도면으로 돌아가서 조 1을 참조하면, 시스템(10)으로부터 열을 회수하기 위한 장치(12)가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 장치(12)는 에너지 추출 시스템(10)으로부터 가압 유동(14)을 수용하여 이 가압 가스를 장치(12)의 코안다 프로파일을 따라 도입하도록 구성되어 있 다. 본 명세서에 사용되는, '코안다 프로파일'이라는 용어는, 인접 표면에 대한 유체의 스트림의 부착을 용이하게 하고 그리고 표면이 최초의 유체 이동 방향으로부터 떨어진 경우에도 부착된 상태로 유지되도록 구성된 프로파일을 의미한다.
작동시에, 코안다 프로파일은, 이 프로파일에 대한 가압 유동(14)의 부착을 용이하게 하여, 그 결과 고속 유체 유동(18)을 발생시키기 위해 추가의 유체 유동(16)을 동반하도록 구성되는 경계층을 형성하게 된다. 예시적 일실시예에서, 가압 유동은 배기 가스를 포함하고, 추가의 유체 유동은 기류를 포함한다. 또한, 고속 유체 유동(18)은 장치(12)와 유체 연통하고 있는 경로를 통하여 최종 사용 시스템(20)으로 지향될 수도 있다. 일 실시예에서, 장치(12)는 가스 터빈 시스템에 결합되고 그리고 고속 유체 유동(18)을 통하여 기계적인 일을 발생시키도록 구성되어 있다.
다른 실시예에서, 장치(12)는 터보과급기에 결합되고 그리고 자동차의 내연기관의 효율을 향상시키도록 구성되어 있다. 다른 실시예에서, 장치(12)는 풍력 터빈 시스템에 결합되고 그리고 고속 유체 유동(18)을 통하여 전력을 발생시키도록 구성되어 있다. 또한, 다른 예시적 실시예에서, 고속 유체 유동(18)은 놀이공원 탑승기구를 구동시키도록 지향될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 장치(12)는 코안다 프로파일을 이용하고 그리고 기류 등의 추가의 유체 유동(16)을 동반하여 고속 유체 유동(18)을 발생시키기 위해서 에너지 추출 시스템(10)으로부터 배기 가스 등의 가압 유체 유동(14)을 이용한다. 또한, 고속 유체 유동(18)은, 에너지 추출 시스템(10)으로부터 추가의 기계적인 일 또는 전력을 발생시키는데 이용될 수도 있거 나, 또는 도 2 내지 10을 참조하여 후술하는 바와 같이 추가의 사용을 위해 다른 최종 사용 시스템(20)으로 지향될 수도 있다.
도 2는 본 기술의 측면에 따르는 도 1의 장치(12)의 예시적 구성(50)을 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 이 장치(50)는 시스템으로부터 배기 가스 등의 제1 유체를 수용하는 스택(stack)(52)을 포함한다. 이 실시예에서, 스택(52)의 적어도 하나의 표면은 코안다 프로파일(54)을 포함하며, 이 코안다 프로파일은 배기 가스가 용이하게 부착되도록 구성되어 있다. 예시적 일실시예에서, 코안다 프로파일(54)은 대수 프로파일(logarithmic profile)을 포함한다. 작동시에, 플리넘(56)으로부터의 배기 가스 등의 제1 유체의 가압 유동이 참조 부호(58)로 표시된 바와 같이 코안다 프로파일(54)을 따라 도입된다. 도시된 실시예에서, 제1 유체는 도관(60)을 거쳐 플리넘(56)에 공급될 수도 있다. 예컨대, 가스 터빈으로부터의 배기 가스가 도관(60)을 통해 플리넘(56)에 공급될 수도 있다. 또한, 스택(52)은 기류 등의 제2 유체를 스택 내로 도입하기 위한 입구(62)를 포함한다. 일정 실시예에서, 입구(62)는 스택(52) 내에 도입하기 전에 유입 기류를 여과하기 위한 필터(64)를 포함한다.
작동 중에, 가압 배기 가스(58)는 기류(66)를 동반하여 고속 기류(68)를 발생시킨다. 특히, 코안다 프로파일(54)은 가압 배기 가스(58)와 동반 기류(66)의 비교적 신속한 혼합을 촉진시키고 그리고 가압 배기 가스(58)로부터 기류(68)에 운동량을 전달함으로서 고속 기류(68)를 발생시킨다. 스택(52)의 기하학적 형상은 기류(68)의 소망의 속도를 달성하도록 설계될 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 고속 기류(68)를 이용하여 기계적인 일을 발생시킬 수도 있다. 도시된 실시예에서, 스택(52)은 고속 기류(68)를 통해 일을 추출하기 위한 복수의 팬(70)을 채용하고 있다. 어떤 다른 실시예에서, 고속 기류(68)는 기계적 일 또는 전력을 발생시킴으로 따른 시스템의 효율을 향상시키도록 지향될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 특징에 따르는 도 2의 장치(50)를 갖는 풍력 터빈 시스템(80)의 예시적 구성의 개략도이다. 도시된 실시예에서, 장치(50)는 코안다 프로파일(54)을 포함하는데, 이 코안다 프로파일은 유입 기류(66)를 동반하기 위한 기류층을 형성하기 위해 프로파일(54)에 대한 배기 가스(58)의 부착을 촉진시켜, 풍력 터빈(82)으로 추가로 지향되는 장치(50)로부터의 고속 기류(68)를 발생시킨다. 이러한 예시적 실시예에서, 배기 가스(58)는 가스 터빈(도시 안됨)으로부터 생성되는 배기 가스를 포함한다.
풍력 터빈 시스템(80)은 허브(88)에 장착된 참조부호(86)로 표시된 바와 같은 복수의 풍력 터빈 블레이드를 갖는 로터(84)를 포함한다. 또한, 풍력 터빈 시스템(80)은 타워(92)의 상부에 장착된 나셀(nacelle)(90)을 포함한다. 로터(84)는 나셀(90) 내에 수용된 열(train)(도시 안됨)을 거쳐서 발전기(94)에 구동식으로 결합되어 있다. 타워(92)는 스택(52)으로부터 발생되는 고속 풍력 유동(68)에 블레이드(86)를 노출시켜서, 블레이드(68)가 축(96)을 중심으로 회전하게 한다. 블레이드(86)는 풍력의 기계적 에너지를 회전 토크로 변환시키고, 회전 토크는 발전기(94)를 거쳐서 전기 에너지로 추가로 변환된다. 일 실시예에서, 스택(52)을부터 발생되는 고속 풍력(68)의 속도는 100km/h 보다 크고, 이는 일정한 일소 로터 면 적, 배기 가스 유량 및 동반 속도(entrainment rate)에 대해 추출 동력의 효율을 최대화하도록 조정된다. 어떤 실시예에서, 풍력 터빈 시스템(80)은 풍력 터빈(82)을 구동하기 위한 소망의 풍량을 발생시키는 복수의 장치(50)를 포함할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 측면에 따라 가스 터빈(110)으로부터의 배기 가스로부터 열을 회수하기 위한 장치(112)를 갖는 다스 터빈(110)의 개략도이다. 가스 터빈(110)은 대기를 압축하도록 구성된 압축기(114)를 포함한다. 연소기(116)는 압축기(114)와 유체 연통하고 그리고 압축기(116)로부터 가압 공기를 수용하고 또 연료 스트림을 연소하여 연소기 출구 가스 스트림을 발생시키도록 구성되어 있다. 또한, 가스 터빈(110)은 연소기(116)의 하류에 배치된 터빈(118)을 포함한다. 터빈(118)은 연소기 출구 가스 스트림을 팽창시켜 외부 부하를 구동하도록 구성되어 있다. 도시된 실시예에서, 압축기(114)는 샤프트(120)를 거쳐서 터빈(118)에 의해 발생되는 전력에 의해 구동된다.
작동시에, 소망의 온도에서 연소된 연료 스트림 및 공기와 연소기(116) 내의 압력이 배기 가스를 발생시킨다. 그 다음, 발생된 배기 가스는 터빈(118)에 결합된 장치(1120)쪽으로 지향된다. 도시된 실시예에서, 장치(112)는 경계층을 형성하고 그리고 배기 가스를 거쳐 추가의 기류를 동반하여 고속 기류를 통하여 기계적일 일을 발생시키도록 구성되어 있다. 특히, 동반된 공기는 장치(112)의 수렴부에서 공기를 가속시키고 그리고 경계층과 유입 공기의 혼합을 촉진시켜 장치(112)의 발산부에서 고속 기류를 발생시키기 위하여, 경계층과 함께 전단 층을 형성한다. 또한, 장치(112)의 발산부 배기 가스와 동반 공기 사이의 상호작용에서 발생되는 압 력으로부터 추진력을 발생시킨다. 터빈(118)에 결합된 장치(112)의 작동에 대해서는 도 5 내지 8을 참조하여 하기에 상세히 설명할 것이다.
도 5는 본 발명의 측면에 따르는 도 4의 가스 터빈(110)에 채용되는 터빈 디스크(132)의 예시적 구성(130)의 개략도이다. 도시된 실시예에서, 복수의 장치(134)가 터빈 디스크(132)의 주변부에 배치되고, 그리고 연소기(116)에서 발생되는 배기 가스를 이용함으로서 가스 터빈(110)의 효율을 향상시키도록 구성되어 있다(도 4 참조). 보다 상세하게는, 복수의 장치(134)는 연소기(116)로부터의 배기 가스에 의해 유체적으로 구동되는 공기 동반에 의해서 터빈 디스크(132)를 가속시키도록 구성되어 있다. 터빈 디스크(132)의 코어(136)로부터의 배기 가스는 복수의 채널(138)을 거쳐 복수의 장치(134)의 각각에 대해 구동된다. 특히, 복수의 반경방향 채널(138)은, 복수의 장치(134)의 개개의 플리넘(도시 안됨) 내에서 코어(136)로부터 배기 가스를 지향시키도록 구성되어 있다. 어떤 실시예에서는, 복수의 슬롯(도시 안됨)이 복수의 장치(134) 내에서 코안다 프로파일을 거쳐 개개의 플러넘으로부터 배기 가스를 도입하도록 이용된다. 바람직하게는, 슬롯을 거쳐 장치(134)의 내측을 향하는 고온 가스의 도입은, 장치(134) 내의 코안다 프로파일에 대해 접선 방향으로 도입되는 고속 기류를 촉진한다.
또한, 터빈 디스크(132)는 복수의 장치(134)의 각각의 입구(142)를 향하는 입구(140)를 통한 기류를 수용한다. 상술한 바와 같이, 복수의 장치(134)는 배기 가스의 부착을 용이하게 하여, 경계층을 형성하고 또 입구(142)로부터 유입 공기를 동반하여 장치(134)의 출구(144)를 거쳐 방출되는 장치(134)의 발산부에서 고속 기 류를 발생시킨다. 어떤 실시예에서는, 장치(134)에 의해 동반되는 공기의 질량과 가스의 질량의 비는 약 5 내지 22이다. 장치(134)의 발산부가 고온 가스와 공기 사이의 상호작용에 의해 발샹되는 압력으로부터 추진력을 생성한다는 점에 유의해야 한다. 그 결과, 장치(134)로부터 발생되는 토크는 터빈 디스크(132)를 회전시키고 그리고 샤프트를 거쳐 터빈 디스크(132)의 회전으로부터 기계적인 일이 추출될 수도 있다, 또한, 터빈 디스크(132)로부터의 배기 가스가 출구(146)를 거쳐 대기중으로 방출된다.
어떤 실시예에서는, 기계적인 일로부터 전력을 발생시키기 위해 가스 터빈(110)에 발전기(도시 안됨)가 결합될 수도 있다. 또한, 어떤 실시예에서는, 코안다 프로파일을 거쳐 유입 공기의 펄스를 동반하고 또 가속하기 위해 구동 배기가스 스트림을 발생시키도록 펄스 표시 장치(도시 안됨)가 채용될 수도 있다. 예시적 실시예에서, 터빈 디스크(132)는압축기(114)(도 4 참조)를 구동시키는 터빈(118)(도 4 참조)으로부터의 고온 가스를 수용하고, 그리고 터빈 디스크(32)의 코어에서 플리넘 재열 챔버에 연료가 첨가될 수도 있다. 연소 과정은 장치(134)를 통해서 대기중으로 팽창되어 터빈 디스크(132)를 구동하는 가스를 생성한다. 다시, 터빈 디스크(132)를 통해 발생되는 기계적인 일은 샤프트를 거쳐 추출될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 측면에 따라 도 5의 터빈 디스크(130)에 채용되는 장치(134)의 개략도이다. 도시된 실시예에서, 연소기(116)(도 4 참조)로부터의 배기 가스는 참조 부호(152)로 표시된 코안다 프로파일(150)을 거쳐 도입된다. 코안다 프로파일(150)은 배기 가스(152)의 부착을 용이하게 하여 경계층을 형성하고 그리고 유입 공기(154)를 동반하여 고속 기류(156)를 발생시킨다. 이 예시적 실시예에서, 코안다 프로파일(150)은 대수 프로파일을 포함한다. 코안다 프로파일(150)은 공기(154)의 동반을 용이하게 하여 분사로서 연속 또는 개개의 신속한 혼합 경계층의 고속 환형 패턴 유동을 형성한다. 어떤 실시예에서는, 고온 가스는 약 90°회전하고 그리고 고온 가스의 질량의 약 5 내지 22배까지 공기를 동반한다. 또한, 동반된 공기(154)는 경계층과 함께 난류 전단층을 형성하여 장치(134)의 수렴부에서 공기(154)를 가속시키고 그리고 경계층과 유입 공기(154)의 혼합을 촉진하여 발산부(158)에서 고속 기류(156)를 발생시킨다. 그 결과, 고속 기류(156)는 추력(160)을 발생시켜 장치(134)를 반대 방향으로 민다. 고속 기류(156)를 생성하기 위한 경계층과 전단층의 형성에 대해서는 도 7 및 8을 참조하여 하기에 설명한다.
도 7은 본 발명의 측면에 따르는 도 6의 장치(134) 내의 공기 및 배기 가스의 유동 프로파일(170)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 배기 가스(172)는 장치(134)(도 6 참조) 내측으로 그리고 코안다 프로파일(174) 위로 지향된다. 도시된 실시예에서, 배기 가스(172)는 실질적으로 고속으로 장치(134) 내로 도입된다. 작동시에, 코안다 프로파일(174)은 배기 가스(172)의 부착을 용이하게 하여 경계층(176)을 형성한다. 이 실시예에서, 프로파일(174)의 기하학적 구조 및 크기는 소망의 효율을 달성하도록 최적화될 수도 있다. 또한, 유입 공기(178)의 유동은 경계층(176)에 의해 동반되어 경계층(176)에 의해 유입 공기(178)와 배기 가스(172)의 혼합을 촉진하기 위한 전단층(180)을 형성한다. 공기(178)와 배기 가 스(172)의 혼합은, 적절한 압력 구배에 기인하는 도입 위치의 하류측의 경계층(176)의 성장에 의해서 향상된다. 따라서, 경계층(176)과 동반 공기(178)의 성장 및 혼합에 의해서 형성되는 층(180)은 장치(134) 내의 신속하고 균일한 혼합물의 형성을 촉진한다. 장치(134) 내의 코안다 효과에 기인한 코안다 프로파일(174)에 대한 배기 가스(172)의 부착에 대해서 도 8을 참조하여 하기에 상세히 설명한다.
도 8은 코안다 효과에 기초한 장치(134) 내의 하나의 개별 위치에서 배기 가스의 도입에 의해 생성되고 프로파일(174)에 인접한 경계층(176)의 형성의 개략도이다. 도시된 실시예에서, 개별 위치에 도입된 배기 가스(172)는 프로파일(174)에 부착되고, 프로파일(174)의 표면 곡선이 최초의 유체 유동 방향으로부터 떨어진 경우에도 부착된 상태로 유지된다. 보다 상세하게는, 배기 가스(172)가 운동량 전달의 균형을 유지하도록 가속함에 따라, 유동을 가로지르는 압력 변화가 존재하고, 이에 의해 배기 가스(172)가 프로파일(174)의 표면에 가깝게 편향된다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 배기 가스(172)가 프로파일(174)을 횡단하여 이동함에 따라, 배기 가스(172)와 프로파일(174) 사이에 일정량의 표면 마찰이 발생한다. 이러한 유동(172) 저항은 배기 가스(172)를 프로파일(174)쪽으로 편향시켜 배기 가스가 프로파일(174)에 부착되게 한다. 또한, 이러한 메커니즘에 의해 형성된 경계층(176)은 유입 기류(178)를 동반하여 경계층(176)과 함께 전단 층(180)을 형성하여 기류(178)와 배기 가스(172)의 혼합을 촉진시킨다. 따라서, 코안다 효과를 촉진시키도록 설계된 원주방향 슬롯 또는 슬롯 셋트를 통해서 프로파일(174)을 횡단 하는 배기 가스(172)의 분사는, 공기 등의 유체를 구동하여 가속시키는 구동력을 발생시킨다. 또한, 경계층(176)과 동반 공기(178)의 성장 및 혼합에 의해 형성된 전단 층(180)은, 기계적 일 또는 전력을 발생시킴으로써 시스템의 효율을 향상시키는데 이용되는 고속 기류(182)를 발생시킨다. 예시적 일실시예서, 그러한 장치(132)로부터의 고속 기류(182)는 도 9 및 10을 참조하여 후술하는 하이브리드 자동차에 동력을 공급하는데 이용될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 측면에 따르는 내연기관(194)으로부터의 고온 가스를 회수하는 장치(192)를 갖는 하이브리드 자동차(190)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 하이브리드 자동차는 연료를 연소함으로써 자동차(190)를 구동하는 내연기관(194)을 포함한다. 또한, 자동차(190)는 내연기관(194)에 결합된 터보과급기(196)를 포함한다. 이 터보과급기(196)는 기계적 일을 발생시키기 위해 내연기관(194)으로부터의 배기 가스를 팽창시키도록 구성된 터빈(198)을 포함한다. 또한, 터보과급기(196)는 상술한 바와 같이 코안다 프로파일을 채용함으로서 기계적 일을 발생시키기 위한 터빈(198)에 결합된 장치(192)를 포함한다. 이 장치(192)는 장치(192) 내에서 내연기관(194)으로부터 배기 가스 유동(202)을 지향시키도록 구성된 입구 매니폴드(200)를 포함한다. 또한, 이 장치(192)는 장치 내에 기류(206)를 도입하도록 구성된 공기 입구(204)를 포함한다.
또한, 장치(192)의 적어도 하나의 표면은, 상술한 바와 같이 고속 기류(208)를 발생시키기 위해 배기 가스(202)를 통해 유입 공기(206)를 동반하도록 구성된 코안다 프로파일을 포함한다. 고속 기류(208)는 실질적으로 기계적 일을 위해 이 용된다. 도시된 실시예에서, 자동차(190)는 기계적 일로부터 전력을 발생시키도록 구성된 발전기(212)를 포함한다. 또한, 자동차(190)는 그 자동차(190)의 전동기(도시 안됨)를 구동하기 위한 전력을 저장하는 재충전 가능한 에너지 저장 시스템(214)을 포함한다. 이 예시적 실시예에서, 재충전 가능한 에너지 축적 시스템(214)은 전기 배터리를 포함한다. 어떤 실시예에서는, 고속 기류(208)를 통해 발생된 기계적 일을 이용하여 터보과급기(196)의 압축기(도시 안됨)를 구동할 수도 있다. 어떤 다른 실시예에서는, 자동차(190)는 수소를 생성하기 위해 발생된 전력을 이용하도록 구성된 내장 전해기(onboard electrolyzer)(도시 안됨)를 포함할 수도 있다. 따라서, 코안다 프로파일을 갖는 장치는 내연기관(194)으로부터의 배기 가스(202)를 통해 기류(206)의 동반을 거쳐 기계적 일 또는 전력의 발생을 이용하고, 그에 의해 자동차(190)의 효율을 향상시킨다.
도 10은 도 9의 하이브리드 자동차(190)에 이용되는 장치(192)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 장치(192)는 이 장치(192) 내에서 배기 가스 유동(202)을 지향시키도록 구성된 입구 매니폴드(200)를 포함한다. 또한, 이 장치(192)는 그 장치(192) 내에 기류(206)를 도입하도록 구성된 공기 입구(204)를 포함한다. 장치(192)는 코안다 효과를 통해 구동 유체로서 배기 가스 유동(202)을 이용함으로서 기류(206)의 동반을 촉진시키고 그리고 배기구(210)를 통해 방출되는 고속 기류(208)를 발생시킨다. 특히, 장치(192)는 정체 공기의 가속을 통하여 에너지 중 일부를 기류(206)에 전달함으로서 작동 유체 및 대기(206)로서 배기 가스 유동(202)의 조합을 이용하고, 그것에 의해 고속 기류(208)를 발생시킨다. 따라서, 고속 기류(208)를 이용하여 기계적 일을 발생시킬 수도 있다.
이상 설명한 방법의 다양한 측면들은 가스 터빈, 풍력 터빈, 마이크로터빈, 터보과급기 등의 상이한 시스템들의 효율을 향상시키는데 이용된다. 상술한 기술은, 현존하는 시스템과 통합될 수 있는 장치를 채용하고, 그리고 고속 기류를 발생시키기 위한 제2 유체를 동반하도록 시스템으로부터 저급의 배기가스 등의 구동 유체를 이용한다. 특히, 장치는 기계적 일을 추출하거나 또는 발전을 위해 추가로 이용될 수도 있는 고속 기류를 발생시켜서 그러한 시스템의 효율을 향상시키기 위하여 코안다 효과를 이용한다. 이 장치는 장치를 터빈과 결합함으로써 현존하는 가스 터빈의 효율을 향상시켜 실질적으로 최소한의 연료 소비로 기계적 일 및 발전을 행하는데 이용될 수도 있다. 또한, 이 장치는 풍력 터빈 시스템으로 지향될 수도 있는 인공 풍력을 발생시키기 위해 현존하는 가스 터빈 발전기에 결합될 수도 있다. 또한, 이 장치는 자동차의 내연기관으로부터의 배기 가스를 거쳐 일의 추출을 통하여 자동차의 터보과급기의 효율을 향상시키도록 결합될 수도 있다. 본 발명의 일정한 특징만을 도시하고 설명하였지만, 당업자라면 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 정신 내에 속하는 모든 그러한 수정 및 변경을 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따르는 시스템으로부터 열을 회수하기 위한 장치를 갖는 에너지 추출 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 도 1의 장치의 예시적인 구성의 개략도,
도 3은 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 도 2의 장치를 갖는 풍력 터빈 시스템의 예시적 구성의 개략도,
도 4는 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 터빈으로부터의 배기 가스로부터 열을 회수하는 장치를 갖는 가스 터빈의 개략도,
도 5는 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 도 4의 가스터빈에 채용되는 장치를 갖는 터빈 디스크의 개략도,
도 6은 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 도 5의 터빈 디스크에 채용되는 장치의 개략도,
도 7은 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 도 6의 장치 내부의 공기 및 배기 가스의 유동 프로파일의 개략도,
도 8은 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 코안다 효과에 기초한 도 6의 프로파일에 인접한 경계층의 형성을 도시하는 개략도,
도 9는 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 내연기관으로부터의 고온 가스를 회수하는 장치를 갖는 하이브리드 자동차의 개략도,
도 10은 본 발명의 기술의 실시형태에 따르는 도 9의 하이브리드 자동차에 이용되는 장치의 개략도.

Claims (10)

  1. 장치(192)에 있어서,
    상기 장치(192) 내부로 배기 가스 유동(202)을 지향시키도록 구성된 입구 매니폴드(200)와,
    상기 장치(192) 내부에 기류(206)를 도입하도록 구성된 공기 입구(204)와,
    배기 가스 유동(202)을 통하여 유입 공기(206)를 동반하여 고속 기류(208)를 발생시키도록 구성된 코안다 프로파일(Coanda profile)(54)을 갖는 장치(192)의 적어도 하나의 표면을 포함하는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코안다 프로파일(54)은 고속 기류(208)를 형성하기 위해 유입 공기(206)를 동반하도록 구성된 경계층(176)을 형성하기 위해서 상기 프로파일(54)에 대한 배기 가스 유동(202)의 부착을 용이하게 하는
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 입구(204)를 통해 공급되는 공기는 경계층(176)을 갖는 전단층(180)을 형성하여, 장치(192)의 수렴부에서 공기를 가속하고 경계층(176)과 유입 공기의 혼합을 용이하게 하는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치(192)에 동반되는 공기의 질량과 배기 가스 흐름의 질량의 비가 약 5 내지 약 22인
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코안다 프로파일은 대수 파일을 포함하는
    장치.
  6. 자동차(190)용 터보과급기(196)에 있어서,
    흡입 기류를 압축시키도록 구성된 압축기와,
    샤프트를 회전시키기 위해 내연기관(194)으로부터의 배기 가스를 팽창시키도록 구성된 터빈(198)과,
    상기 터빈(198)에 결합되고 그리고 고속 기류를 통하여 기계적 일을 발생시키기 위하여 배기 가스를 거쳐 유입 공기를 동반하도록 구성된 장치(192)를 포함하고,
    상기 장치(192)는 코안다 프로파일(54)을 갖는 장치(192)의 적어도 하나의 표면을 포함하고,
    상기 코안다 프로파일은 경계층(176)을 형성하고 또 유입 공기를 동반하여 고속 기류를 발생시키기 위해서 상기 플랫폼에 대한 배기 가스의 부착을 용이하게 하도록 구성된
    자동차용 터보과급기.
  7. 하이브리드 자동차(190)에 있어서,
    내연기관(194)과,
    상기 내연기관(194)에 결합된 터보과급기(196)를 포함하고,
    상기 터보과급기(16)는,
    기계적 일을 발생시키기 위해 내연기관(194)으로부터의 배기 가스를 팽창시키도록 구성된 터빈(198)과,
    상기 터빈(198)에 결합되고 그리고 고속 기류를 통하여 기계적 일을 발생시키기 위해 코안다 프로파일을 따라 배기 가스를 도입하여 유입 공기를 동반하도록 구성된 장치(192)와,
    기계적 일로부터 전력을 발생시키도록 구성된 발전기(212)와,
    전력을 저장하기 위한 재충전 가능한 에너지 저장 시스템(214)을 포함하는
    하이브리드 자동차.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 재충전가능한 에너지 저장 시스템(214)은 전기 배터리를 포함하는
    하이브리드 자동차.
  9. 제 7 항에 있어서,
    수소를 생성하기 위해 전력을 이용하도록 구성된 내장 전해기를 더 포함하는
    하이브리드 자동차.
  10. 하이브리드 자동차의 작동 방법에 있어서,
    자동차를 제1 작동 모드에서 구동시키도록 내연기관을 작동시키는 단계와,
    고속 기류를 통해 기계적 일을 발생시키도록 추가의 기류를 동반하기 위하여 내연기관으로부터 코안다 프로파일 위에 배기 가스를 도입하는 단계와,
    기계적 일로부터 전력을 발생시키는 단계를 포함하는
    하이브리드 자동차의 작동 방법.
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