KR20120050985A - 로우 드래그 유압-공압 파워 실린더 및 시스템 - Google Patents

Abstract

압축된 가스의 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 유압-공압 실린더가 제공된다. 실린더는 실린더의 반대측 단부에 배치되는 한쌍의 단부판과, 실린더를 통해 길이방향으로 연장되고 각각의 단부판의 중앙을 통과하는 구동축을 포함할 수 있다. 또한, 상기 실린더는 각각의 단부판에 연결되고 실린더에서 중앙에 배치되는 코어 지지체와, 로우 드래그 흐름을 촉진시키기 위한 다수의 베인을 포함할 수 있다. 다수의 베인 각각은 코어 지지체 및 단부판의 쌍에 연결된다. 코어 지지체와 다수의 베인중 2개의 베인과 단부판의 쌍에 의해 버킷이 형성된다. 실린더는 다수의 베인에 연결되는 베인 지지체 및 코어 지지체를 추가로 포함한다. 베인 지지체는 그 내부에 다수의 개구를 형성하며, 버킷의 압력을 균등화하기 위해 상기 개구를 통해 가스가 통과할 수 있다.

Description

로우 드래그 유압-공압 파워 실린더 및 시스템{LOW-DRAG HYDRO-PNEUMATIC POWER CYLINDER AND SYSTEM}

본 발명은 2009년 9월 29일자 출원된 미국 가특허출원 제61/269,803호의 이익을 주장하며, 상기 미국 출원은 언급(인용)에 의해 본 명세서의 일부로 편입된다.

본 발명은 기계적 파워 장치에 관한 것으로서, 특히 부력(buoyancy)을 기반으로 하는 기계적 파워 장치에 관한 것이다.

인간은 자연의 여러가지 힘을 활용하는 방법을 발견하였지만, 부력 환경에서 중력을 활용하는 성공적인 방법은 뚜렷이 존재하지 않는다. 부력 영역에서 물체를 조작하기 위한 예전의 시도는 계속 부족했었다. 이들 설계는 상기 시도에 사용할 수 있는 부력을 기반으로 하는 대부분의 잠재적 효과를 포착할 수 있는 그 능력을 상당히 감소시키는 물리적 디자인 부족을 갖는다. 또한, 예전의 디자인은 가스와 액체의 물리적 교환에 의해 생성되어 액체 대 액체(liquid to liquid) 운동 및 액체상의 액체(liquid-on-liquid) 마찰 등을 유발시키는 유용한 위치 에너지 및 운동 에너지를 포착할 수 없었다.

물리적 디자인에 기초한 유체역학적 드래그는 부력을 기반으로 하는 그 어떤 장치에도 주요한 에너지 감쇄기 이다. 설계의 실패와 가장 유체역학적인(드래그 계수가 가장 낮은) 형상을 갖는 부력 장치의 제작 실패는 액체 환경내에서 작동하는 기계적 운동에 내재하는 하이 드래그(high-drag)에 의해 다량의 에너지가 배출되어 액체 마찰 및 불필요한 운동으로 손실되게 한다. 종래의 설계는 기계적 에너지를 생성하는 각각의 장치의 능력을 심각하게 방해하는 하이 드래그 부품/설계를 구비한 제한적인 물리적 디자인 특징을 갖는다.

다른 노력의 일환으로, 액체의 가스로의 변위 또는 가스의 액체로의 변위중 에너지를 수집하려는 시도의 실패로 인해 상당한 에너지가 손실된다. 디자인에 관계없이 부력-기계적 에너지 변환 처리중 부력 변환 장치내에서 무엇인가 물질적으로 변화되었을 때, 이들 에너지 천이 및 물질 운동에 내재된 에너지를 포착할 능력이 없게 된다.

다른 종래의 디자인은 부력 에너지의 회전력으로의 변환을 제한한다. 이들 디자인은 버킷(bucket) 사이로 구동 가스의 전달을 제한하고 그에 따라 일부 버킷의 과충전(overfilling) 및 동일 평면상의 다른 버킷의 충전부족(under-filling)을 허용함으로써 부력의 평형을 억제한다.

다른 중요한 디자인 관점으로는 장치의 전체 크기에 대해 최적으로 균형잡히지 않은 버킷 체적을 사용하는 것이다. 일부 디자인은 과도하게 큰 버킷 깊이를 가지며, 이것은 부력 가스를 장치 코어에 너무 가깝게 배치하여, 가스 차아지(charge)를 생성하기 위해 부력 작동 중 회수되는 것 보다 더 많은 에너지가 사용된다. 다른 디자인은 전체 장치에 비해 최적의 버킷 체적 보다 작은 및/또는 감소된 버킷 갯수를 채택하고 있다. 상기 두가지 디자인의 결함은 부력 작업을 실행할 능력을 상당히 감소시킨다는 것이다.

또한, 종래의 디자인은 마이크로 버블(micro-bubble) 주입, 폴리머 주입 등과 같은 능동적인 유체역학적 드래그 감소 수단의 사용을 통해 유체역학적 마찰 드래그를 감소시키지 않는다. 또한, 이들 종래의 디자인은 그 압축된 상태에서 갖는 것 보다 상대적으로 상당히 낮게 보유된 열을 갖는 팽창 가스에 의해 유발된 작동/구동 액체의 팽창 가스 열 고갈을 관리할 수 없다. 작동/구동 액체가 높은 온도로 유지되는 고온 또는 스팀 가스 작동을 제외하고, 비 열적 가스구동식 부력 모터의 팽창 가스의 연속적인 작동은 각각의 장치의 작동/구동 액체 온도를 그 빙점 이하의 레벨로 신속히 감소시킬 수 있다.

따라서, 유체역학적 마찰 드래그를 감소시키고 그 베인을 따라 부력을 평형화시키며 액체로의 가스 전달 및 가스로의 액체 전달중 사용할 수 있는 운동 에너지를 포착할 수 있는 기계적 장치가 요망되고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 기계적 파워 장치는 마이크로 버블 주입, 폴리머 주입 등과 같은 능동적인 유체역학적 드래그 감소 수단의 사용을 통해 유체역학적 마찰 드래그를 감소시킬 수 있다.

예시적인 일 실시예에서, 유압-공압 실린더(유공압 실린더)는 실린더에서 서로 반대측에 배치되는 제1단부판 및 제2단부판을 포함한다. 제1 및 제2단부판은 실질적으로 평탄하며 서로 평행하다. 또한, 실린더는 실린더를 통해 길이방향으로 연장되며 상기 제1 및 제2단부판을 통과하는 구동축을 포함한다. 코어 지지체는 각각의 단부판에 연결되고 실린더의 중앙에 배치되며, 로우 드래그(low-drag) 흐름을 촉진시키기 위해 다수의 베인이 제공된다. 상기 다수의 베인 각각은 코어 지지체와 제1 및 제2단부판에 연결된다. 실린더는 코어 지지체와, 다수의 베인중 2개와, 제1 및 제2단부판에 의해 형성되는 버킷을 부가로 포함한다. 또한, 실린더는 상기 다수의 베인에 연결되는 베인 지지체를 포함한다. 베인 지지체는 버킷의 압력을 균등화하기 위해 베인 지지체가 유체가 통과할 수 있는 다수의 개구를 그 내부에 형성하도록 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행하다.

이 실시예의 일 형태로서, 실린더는 제1 및 제2단부판중 적어도 하나에 연결되는 마이크로 버블러(microbubbler)를 포함할 수 있다. 마이크로 버블러는 동적 드래그를 감소시키도록 형성되며, 그 연결되는 단부판에 실질적으로 평행할 수 있다. 그 다른 형태에 있어서, 버킷은 다수의 버킷을 포함한다. 예를 들어, 이 실시예에서 버킷의 갯수는 베인의 갯수와 거의 동일할 수도 있다. 또한, 구동축은 관통하여 형성되는 통로를 포함할 수 있다. 다른 배치에 있어서, 베인 지지체는 베인 지지체에 형성된 다수의 개구에 의해 제1부분이 제2부분에 유체 소통가능하게 연결되도록 버킷을 제1부분 및 제2부분으로 분할한다.

다른 실시예에서, 시스템은 압축된 유체의 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위해 제공된다. 상기 시스템은 액체가 함유된 유체-기밀 탱크를 포함한다. 탱크는 상단부에 배치된 커버를 가지며, 상기 탱크의 바닥 단부에는 유체 충전 장치가 연결된다. 또한, 상기 시스템은 액체의 온도를 관리하기 위한 열관리 시스템과, 상기 탱크에 배치된 유압-공압 실린더를 포함한다. 실린더는 액체에 잠긴다. 또한, 실린더는 축선을 따라 길이방향으로 연장되는 구동축과, 그 내부에 형성되는 다수의 버킷을 포함한다. 상기 다수의 버킷중 적어도 하나는 압축된 유체가 실린더의 회전 운동을 축선 주위로 부양하여 제공하도록, 상기 유체 충전 장치로부터 압축된 유체를 수용한다.

유사한 실시예에서, 실린더는 실린더에서 서로 반대측에 배치되는 제1단부판 및 제2단부판을 포함할 수 있다. 제1 및 제2단부판은 실질적으로 평탄하며, 서로 평행하다. 코어 지지체는 각각의 단부판에 연결되어 실린더에 배치된다. 실린더는 다수의 베인 각각이 코어 지지체와 제1 및 제2단부판에 연결되도록 로우 드래그 흐름을 촉진시키기 위한 다수의 베인을 포함할 수 있다. 또한, 실린더는 다수의 베인에 연결되는 베인 지지체를 포함한다. 베인 지지체는 버킷의 압력을 균등화하기 위해 베인 지지체가 유체가 통과할 수 있는 다수의 개구를 그 내부에 형성하도록 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행하다. 또한, 실린더는 제1 및 제2단부판 중 하나에 연결되는 동적 드래그 감소 장치를 포함한다. 상기 동적 드래그 감소 장치는 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행하다.

이 실시예의 다른 형태에 있어서, 베인 지지체는 베인 지지체에 형성된 다수의 개구에 의해 제1부분이 제2부분에 유체 소통가능하게 연결되도록 상기 다수의 버킷 각각을 제1부분 및 제2부분으로 분할한다. 시스템은 실린더의 각각의 측부에 배치되는 저마찰 베어링을 부가로 포함할 수 있다. 공급라인은 유체 충전 장치로 유입되는 유체의 온도를 유지하기 위해 단열된다.

이 실시예의 상이한 형태에 있어서, 유체 충전 장치는 플레넘(plenum) 하우징 또는 회전 밸브를 포함한다. 유체 충전 장치는 다수의 버킷중 적어도 하나에 유체 소통가능하게 연결되는 절결부를 포함할 수 있다. 회전 밸브의 실시예에 있어서, 회전 밸브는 통로 및 방출 오리피스를 형성한다. 통로는 압축된 유체를 실린더로 지향시키기 위해 상기 공급라인을 방출 오리피스에 유체 소통가능하게 연결한다. 또한, 시스템은 유체를 팽창시키고 유체 충전 장치에 압력의 균등을 유지하기 위한 유체 분배 이퀄라이저(equalizer) 챔버를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 유압-공압 실린더는 부력 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위해 제공된다. 실린더는 실린더에서 서로 반대측에 배치되는 제1단부판 및 제2단부판을 포함한다. 제1 및 제2단부판은 실질적으로 평탄하며 서로 평행하다. 구동축은 실린더를 통해 길이방향으로 연장되며, 상기 제1 및 제2단부판을 통과한다. 또한, 실린더는 각각의 단부판에 연결되어 실린더에 배치되는 코어 지지체를 포함한다. 로우 드래그 흐름을 촉진시키기 위해 다수의 베인이 제공된다. 상기 다수의 베인 각각은 코어 지지체와 제1 및 제2단부판에 연결된다. 실린더는 코어 지지체와, 다수의 베인중 2개와, 제1 및 제2단부판에 의해 형성되는 버킷을 포함한다. 또한, 동적 드래그 감소 장치는 단부판 중 하나에 연결되며, 단부판의 쌍에 실질적으로 평행하다.

이 실시예에 있어서, 실린더는 다수의 베인에 연결되는 베인 지지체를 포함할 수 있다. 베인 지지체는 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행하다. 또한, 베인 지지체는 버킷의 압력을 균등화하기 위해 유체가 통과할 수 있는 다수의 개구를 그 내부에 형성한다. 베인 지지체는 베인 지지체에 형성된 다수의 개구에 의해 제1부분이 제2부분에 유체 소통가능하게 연결되도록 상기 다수의 버킷 각각을 제1부분 및 제2부분으로 추가적으로 분할한다.

일실시예에 따르면, 유압-공압 파워 실린더(Hydro-Pneumatic Power Cylinder)(HPC)는 중앙 실린더면 및 단부캡 디스크의 내측면에 축방향으로 연결되는 다수의 베인을 갖는 중앙 실린더의 각각의 말단부에 연결되는 단부캡 디스크를 갖는 잠겨지는 축장착된 원통형 본체를 포함한다. 각각의 인접한 베인의 면과, 노출된 중앙 실린더 면과, 단부캡 디스크의 노출된 내측면에 의해 공간들이 형성된다. 장치는 작동 액체/작동 가스 전달을 조절하는 플레넘에 의해 가스 차아지되거나 또는 회전 가스 주입 밸브의 세트를 통해 충전되며, 하나의 밸브는 각각의 실린더 단부에 매립된다. 드래그 감소 마이크로 버블 가스 배출기는 하이 유체역학적 드래그 특징부에 연결되며 및/또는 전략적으로 실린더 근처에 정지상태로 배치된다. HPC는 부력을 기반으로 하는 중력의 효과를 포착하거나 완전히 사용할 수 있다.

HPC는 압축되거나 또는 단열팽창된 그 어떤 경량의 가스라도 압력하에서 상당히 무거운 액체 내로 도입할 수 있다. 또한, 파워 실린더의 유효 파워 출력을 증가시키기 위해 가스충전된 작동 부력 버킷을 중앙 지점/축 으로부터 더욱 멀리 이동시킴으로써 모멘트 아암 지렛대의 원리를 사용할 수도 있다. 이것은 특수한 HPC 파워 출력을 위한 구동 가스 요구사항을 감소시키기 위해 어플리케이션을 기반으로 하는 공학적 "습식 영역" 을 사용하게 한다. 따라서, HPC의 크기는 어플리케이션의 파워 입력 요구사항에 부합될 수 있다. 생산 노력을 덜어주기 위해, 생산 표준 크기의 HPC의 등급이 특별히 디자인될 수 있으며, 특수한 완제품의 어플리케이션 요구사항에 부합되는 버킷 깊이/폭 으로 형성될 수 있다. 세트 직경을 갖는 표준 크기의 HPC는 특별한 사용자의 파워 입력 요구사항에 부합하는 파워 출력을 증가시키도록 늘어날 수 있다.

HPC는 청정한 구동 가스의 지속적인 유용한 공급을 보장하기 위해 의도적으로 압축된 소스로부터의 구동 가스를 재활용 및 재사용할 수 있으며, 이에 따라 외부 오염 가스 여과 노력이나 기계/장치에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 또한, HPC는 구동 가스의 압축, 전달, 및 배출/팽창에 수반되는 열전달 처리의 효과를 관리할 수 있다. 따라서, HPC는 구동 액체 밀도를 극대화하는 온도로 구동 액체를 관리할 수 있으며, 구동 가스를 급속히 팽창시킴으로써 구동 액체의 동결을 방지한다.

HPC는 인식할 수 있는 중력이 사용될 수 있는 한 그 어떤 환경에도 유리하게 배치될 수 있다. 이것은 육지가 아닌 환경을 포함할 수 있다. HPC는 1 마력(1 킬로와트) 내지 수백만 마력(수백 메가와트)의 범위에 속하는 명시된 순수 파워에 부응하기 위해 다양한 크기로 형성될 수 있다. 마찬가지로, HPC는 산업상 처리 또는 전력 발생을 구동하기 위한 회전력 소스/원동기로서 사용될 수 있다.

또한, HPC는 유용한 파워 출력을 증가시키기 위해 유사한 파워 생산 유니트와 직렬이나 병렬로 조합될 수 있다. 다수의 부력 포착 기계의 열(row)을 갖는 발전소는 기가와트의 전기 에너지를 제공할 수 있다.

HPC의 적어도 하나의 실시예에서, 전체 파워 출력을 증가시키는 강력한 가스 주입 기능은 구동 가스를 버킷의 베이스(base)에 주입하고 그에 따라 액체를 버킷으로부터 강제함으로써 달성된다. 구동 가스의 버킷내 도입은 각각의 가스충전 발생시 각각의 버킷을 위해 상태의 동적 변화를 나타낸다. 버킷을 뒤집어서 충전함으로써 버킷내에 상당한 배압을 형성하고 이러한 강력한 버킷 충전 동작을 기본적인 유압 펌프 제트로 변환함으로써, 이러한 정력적인 가스 전달이 축에 회전가능하게 포착되게 한다.

또한, HPC는 가스 및 분출 액체로 능동적으로 충전되는 하부 버킷에 가깝게 액체 운동을 지연시킬 수 있는 정지형 배플을 그 외부에 포함한다. 이러한 배플은 버킷으로부터 분출되는 액체에 활발하지 않은 액체 저항을 제공하며, 이에 따라 분출 액체에 배압을 증가시킴으로써 전체 시스템 파워를 증가시킨다. HPC 디자인은 각각의 버킷을 선형으로 또한 균등하게 충전하기 위해 각각의 버킷의 길이를 따라 구동 가스의 최대 전달을 허용하는 버킷내 경로를 포함함으로써 각각의 버킷의 부력을 최대화, 균등화, 및 균형화할 수 있다.

HPC는 가능한 최대 기간으로 실질적으로 충전되는 가스충전된 버킷을 추가로 사용할 수 있다. 대부분의 HPC의 파워가 부력으로부터 유도되기 때문에, 각각의 상승하는 버킷내의 체적에 의한 더 많은 액체 변위 가스는 부력을 기반으로 하는 특수한 버킷의 리프트(lift)를 증가시킴으로써, 장치의 전체 파워에 대한 가스충전된 버킷의 기여도의 사용을 증가시킨다. 2개의 형상과, 버킷-베인 길이와, 버킷내 전달 경로에서 이러한 버킷 디자인은 가능한 최대 시간주기 동안 버킷 보유 가스의 백분율을 극대화시키고, 그에 따라 최대한의 효과를 허용하는 HPC의 회전 "타이밍(timing)" 을 따라 유용한 최대 부력을 포착한다.

HPC는 각각의 베인이 이전의 베인을 따르도록 로우 드래그 물리적 디자인을 가질 수 있다. 이러한 특징은 에너지 배출 기생(parasitic), 유체역학적 표면 마찰, 디자인 드래그를 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, HPC는 활성의 가스포획된 경계 제어층(BCL)과, HPC를 둘러싼 정지 액체와 HPC와 접촉하고 이와 함께 움직이는 동적 액체 사이의 액체 공간내에 마이크로 버블을 주입하는 유체역학적 드래그 감소 기술을 포함할 수 있다. BCL 및 인접한 인터페이스에 존재하는 마이크로 버블의 연속적인 주입은 다수의 유체역학적 힘으로 하여금 BCL 인터페이스 및 BCL 인터페이스 사이에 생성된 에너지 배출 기생 드래그를 상당히 감소시키는 마이크로 버블내의 가스를 압축 및 팽창할 수 있게 한다.

또한, HPC는 구동축을 지지하고 마찰을 기반으로 하는 에너지 손실을 감소시키기 위해 초 저마찰 자기 베어링이나 초 저마찰 에어 베어링을 포함할 수 있다(어플리케이션 및 장치 크기에 따른 베어링 선택). 또한, HPC는 HPC의 상대 중량을 감소시키는 작동가능하고 중립적인 부력 디자인을 포함할 수 있다. 이것은 HPC의 지지 베어링상의 중력을 기반으로 하는 마찰 압력을 감소시키며, 베어링 지지 구조상의 중량 효과를 감소시킨다. HPC는 유지보수가 극히 적은 HPC 디자인의 사용과, 다수의 가스 압축 소스에 대한 선택과, 전력 발생 처리를 구동하기 위한 회전력 소스/원동기를 작동시키는데 사용할 수 있는 장치의 측부당 하나씩 최대 2개의 구동축 연결부에 의해 시스템을 통해 설계된 시스템상 평정을 갖는 작동가능한 신뢰성있는 디자인을 가질 수 있다.

본 발명의 상기 언급한 특징들과 이들을 얻기 위한 방법은 더욱 명백해질 것이며, 본 발명 자체는 첨부된 도면과 함께 하기의 본 발명의 실시예의 서술을 참조하여 잘 이해될 것이다.

여러 도면을 통해 대응하는 부품을 나타내기 위해 대응의 도면부호가 사용된다.

도1은 유압-공압 실린더(HPC)의 단부도.
도2는 도1의 HPC의 정면측을 도시한 도면.
도3은 HPC의 구동측 직각도(orthogonal view).
도4는 HPC 탱크와 도시 목적상 탱크측이 제거된 그 내부 부품들의 정면측 절단도.
도5는 HPC 탱크와 도시 목적상 탱크의 단부가 제거된 그 내부 부품들의 좌측 단부도.
도6은 구동 가스 플레넘의 좌측 사시도.
도7은 탱크의 한쪽 단부가 도시된 HPC의 구동 가스 시스템의 사시도.
도8은 탱크의 전방면으로부터 도시된 HPC의 열관리 구동 액체 시스템의 사시도.
도9는 탱크의 정면측으로부터 도시된 파워 생산 시스템에 사용되는 HPC를 도시한 도면.
도10은 군함 추진/구동 시스템에 사용되는 HPC의 톱다운(top-down) 시스템을 도시한 도면.
도11은 탱크의 전방면측으로부터 도시된 완성된 HPC 시스템의 시스템도.
도12는 HPC(minus most vane) 및 일반적인 마이크로 버블러 디자인의 구동측 사시도.
도13은 단부판 마이크로 버블러, 조절기, 및 그 가스 공급라인의 사시도.
도14는 단부판 마이크로 버블러 및 그 가스 방출기 천공부의 사시도.
도15는 베인 마이크로 버블러, 조절기, 및 그 가스 공급라인의 부분적인 구동측 사시도.
도16은 "소형 HPC" 정지형 단부판 마이크로 버블러 디자인을 일반적으로 묘사한 HPC의 구동측 사시도.
도17은 정지형 단부판 마이크로 버블러 방출기의 섹션의 사시도.
도18은 회전 밸브 직접 가스 주입기를 사용하는 HPC의 사시도.
도19는 회전 밸브 직접 가스 주입기의 사시도.
도20은 가압된 천연가스 구동 시스템을 사용하여 작동되는 HPC의 사시도.
도21은 이원(binary) 가스 구동 시스템을 사용하여 작동되는 HPC의 사시도.
도22는 스팀 구동 시스템을 사용하여 작동되는 HPC의 사시도.
도23은 대형 탱크 캐스케이드(cascade) HPC 형상의 단부도.
도24는 HPC 기저부하(base-load) 발전소의 사시도.
도25는 딥 베인(deep vane) 및 버킷(bucket)을 갖는 HPC의 단부도.

하기에 서술되는 본 발명의 실시예는 포괄적이거나 또는 하기의 상세한 설명에 서술된 정확한 형태로 본 발명을 제한하지 않는다. 오히려, 본 기술분야의 숙련자가 본 발명의 원리와 실시를 인식하고 이해할 수 있도록 실시예가 선택 및 서술된다.

도1에는 중력에 기반한 부력을 회전력으로 전환하기 위해 유압-공압 파워 실린더(Hydro-Pneumatic Power Cylinder)(HPC)(102)가 제공된다. HPC(102)는 2개의 분리된 수직한 원형 HPC 단부판(114)의 세트를 통해 중앙에 삽입되는 구동축(104)으로 구성되며, 상기 각각의 단부판은 HPC(102)의 반대측 단부를 형성한다. 구동축(104)은 단부에서 단부로 완전히 이어지는 중앙 가스 통로(105)를 가지며, 각각의 단부에 연결되는 구동축 플랜지(103)를 갖는다. 2개의 단부판(114)은 중앙에 배치되는 단단한 중공의 원통형 HPC 코어 지지체(108)에 의해 분리되며, 상기 HPC 코어 지지체는 HPC 단부판(114)에 연결된다. 코어 지지체(108)는 작동 부하를 중앙축에 전달하는 것을 돕기 위해 코어 지지체(108)를 구동축(104)에 연결하는 추가적인 내부 구조물(도시않음)을 가질 수 있다.

HPC 코어 지지체(108)의 외주 주위에 등거리로 연결되는 다수의 곡선형 HPC 베인(110)은 HPC 코어 지지체(108)의 외측면 및 HPC 단부판(114)의 내측에서 마주보는 노출된 표면에 기밀방지식으로 연결되며, 베인 및 특별한 베인 깊이의 정확한 칫수는 크기와 정해진 효율 및 원하는 작동가능한 HPC 파워 출력 요구사항에 따른다. HPC 베인(110)은 로우 드래그 흐름 방식으로 종료되는 베인의 외측 엣지를 향해 그 길이방향 내측 베이스 부착부로부터 HPC 코어 지지체(108)로 굴곡된다. 베인의 굴곡된 엣지는 HPC 단부판(114)의 내측면에 연결된다. HPC 베인(110) 및 HPC 코어 지지체의 인접한 표면과 HPC 단부판(114)의 노출된 내측면은 단일의 HPC 버킷 영역(109)을 형성한다. 각각의 HPC 디자인은 특정한 다수의 베인을 가지며, 이에 따라 베인(110)과 동일한 갯수의 버킷(109)을 갖는다.

단부판 마이크로 버블러(106)의 세트는 동일면에 장착되는 유체역학적 로우 드래그 방식으로 HPC 단부판(114)에 반경 방식으로 절결된 마이크로 버블러 반경방향 절결 슬롯(115)(도13)에 연결된다. 단부판 마이크로 버블러(106)의 갯수 및 위치는 특정한 HPC 어플리케이션 디자인에 부합될 수 있으며, 독특한 HPC의 작동 요구사항의 특수한 드래그 감소 요구사항에 따를 수 있다. 이 실시예에서는 HPC(102)의 각각의 단부당 4개의 단부판 마이크로 버블러(106)가 도시되었지만, 다른 실시예에서는 다른 마이크로 버블러 디자인 및 레이아웃이 사용될 수도 있다.

도2에는 베인(110)의 외측면과, 구동축(104)과, 구동축 중앙 가스 통로(105)와, 구동축 플랜지(103)와, 엣지에서 보았을 때의 HPC 단부판(114)과, HPC 베인(110)의 내측면에 수직하고 상기 HPC 베인(110)의 내측면과 HPC 코어 지지체(108)(도면에는 분리되지 않은 상태로 도시되었음)에 단단히 연결되는 코어 중간 지지체(112)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, HPC 단부판(114)은 구동 가스 플레넘(124)(도4에 도시)에 가스 누설 밀봉부를 제공하기 위해 HPC 베인(110)의 외측 엣지를 지나 연장된다.

도3에 있어서, HPC(102)의 베인(110)은 베인 중간 지지체(112)에 지지되는 바와 같이 HPC 코어 지지체(108)의 면에 부착될 수 있다. 도3의 실시예는 단일의 중간 베인 지지체(108)를 포함하고 있지만, 대형 HPC 발달은 그 디자인 및 작동에 있어서 그 HPC면을 따라 다수의 베인 지지체를 사용할 수도 있다. 이러한 베인 지지체는 HPC 작동중 에너지 생성 부양력의 제어시 베인(110)을 돕고 HPC 작동시 매우 정력적이고 동력적인 액체 배출 및 가스 충전 동작중 경험하는 다중 통로 부하 힘의 함유시 베인을 도울 것이 요구된다. 또한, 베인 지지체(112)는 부양력에 의해 유발된 작동 부하를 베인이 이송할 동안 그 유체역학적 로우 드래그 프로필의 유지시 베인(110)을 돕는다.

다수의 베인 중간 지지체 가스 통과 개구 또는 구멍(113)은 베인 중간 지지체(112)에 형성된다. 이들 구멍(113)은 버킷 압력 균등화를 허용하고 HPC(102)의 전체 중량을 감소시키는 HPC(102)의 각각의 버킷 영역(109)(도1 및 도25에 도시)의 내측에 배치된다. 또한, 구동축 중앙 가스 통로(105) 및 구동축 플랜지(103)를 갖는 구동축(104)이 도시되어 있다. 전체적인 구조는 HPC(102)를 형성하기 위해 단단하고 움직일 수 없도록 부착된다. 동일면 장착식 단부판 마이크로 버블러(106)는 HPC 단부판(114)에 연결될 수 있다.

도4에 있어서, HPC(102)는 대형 액체기밀 탱크(134)[단지 도시 목적을 위해 탱크(134)의 측부가 제거되었음을 인식해야 한다]의 내부에 배치된다. 외측 구동축(107)의 세트는 구동축(104)에 연결된 구동축 플랜지(103)에 연결된다. 횡방향으로 둥근 응력 외피 박막 형식의 HPC 탱크 커버(118)는 모두 소비된 구동 가스(179)를 포착하기 위해 가스기밀 누설방지식으로 탱크(134)의 상부에 연결된다. 종래의 응력 외피 박막 탱크 커버(118)는 산업용 빌딩, 공항 격납고 등에 자주 사용된다. HPC(102)는 탱크(134)에서 구동 액체(111)로 둘러싸이고, HPC(102)의 각각의 측부상의 견고한 축포위 HPC 축베어링(120)에 의해 그 외측 구동축(107) 상에 지지된다. HPC 축 베어링(120)은 저마찰 베어링이며, 좌측 및 우측 탱크벽(128)에 연결된 HPC 베어링 지지체(130)에 의해 지지된다. 유사하게, HPC(102)는 양 측부상에 지지된다. 외측 구동축(107)은 HPC 축 베어링(120)의 말단측을 통해 연장되고, 탱크벽(128)의 좌측 및 우측에 장착된 액체기밀 탱크벽 밀봉부(122)를 통해 연장되며, 좌측 및 우측 탱크벽에 형성된 대응 구멍을 통해 연장된다[상기 형성된 구멍은 좌측 및 우측 탱크벽 밀봉부(122)로부터 분리되어 도시되지 않았음을 인식해야 한다].

구동 가스 플레넘(124)은 일련의 플레넘 지지 푸터(plenum support footer)(126)에 의해 탱크 바닥(129)에 연결된다. 구동 가스 플레넘(124)에는 그 길이를 따라 우측 탱크벽(128)에 단단히 부착된 단열된 구동 가스 공급라인(116)에 의해 HPC 탱크 커버(118)의 후방측으로부터 인입되는 단열된 구동 가스 공급라인(116)을 통해 구동 가스(178)가 공급된다. 이 구동 가스(178)는 라인(116)을 빠져 나와 구동 가스 공급 제어밸브(176)(이 도면에는 별도로 도시되지 않음)내로 흐르며, 상기 구동 가스 공급 제어밸브는 구동 가스 플레넘(124)과 연결되는 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177) 내로의 가스(178)의 배출을 제어한다. 구동 액체(111) 위로 부양가능하게 상승하는 모두 소비된 구동 가스(179)를 수집하는 구동 가스 복귀라인(132)은 탱크 커버(118)의 후방측의 중앙에 연결된다. 또한, 구동 가스 플레넘(124)의 전방 바닥 엣지상에는 플레넘 오버플로우(overflow) 가스(별도로 도시되지 않음)를 HPC(102)의 구동측으로 지향시킴으로써 초기 HPC 회전 작동을 돕는데 사용되는 플레넘 구동 가스 오버플로우 절결부(125)가 도시되어 있다.

도5의 좌측면도는 동일한 액체기밀 탱크(134)내에서 구동 액체(111)에 잠긴 HPC(102)를 도시하고 있다(단지 도시 목적상 탱크의 좌측이 제거되었음을 인식해야 한다). 단열된 구동 가스 공급라인(116)의 종료 단부로부터 구동 가스(178)가 공급되는 가스 공급 제어밸브(176)에 가스기밀식으로 부착되는 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177)는 구동 가스 플레넘(124)의 측부에 가스기밀식으로 연결된다. 축 베어링(120)은 베어링 지지체(130)의 상부에 연결된다. 또한, 탱크 커버(118)는 단열된 구동 가스 공급라인(116)과 후방으로부터 연장되는 구동 가스 복귀라인(132)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 수직으로 현수된 중립의 스프링식 탱크 커버 압력 경감 도어(119)는 HPC 탱크 커버(118)의 평탄면에 부착된다.

도6의 실시예에서, 구동 가스 플레넘(124)의 작동 부품은 가스기밀식으로 가스 공급 제어밸브(176)에서 종료되는 단열된 구동 가스 공급라인(116)을 갖는 HPC(102)의 아래에 배치된다. 제어밸브(176)는 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177)로 유입되는 구동 가스(178)의 양을 제어한다. 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177)는 구동 가스가 팽창되게 하며 플레넘(124) 내의 가스 압력을 균등하게 한다. 구동 가스(178)는 제어된 압력하에서 구동 가스 공급포트(168)를 통해 플레넘(124)로 유입되며, 구동 가스 플레넘(124) 내부의 구동 액체(111)의 레벨을 유지시킨다. 다수의 밀봉 덧대임판(backer plate) 지지체(175)에 의해 지지되는 2개의 밀봉 덧대임판(174)은 구동 가스 플레넘(124)의 상부 우측 및 좌측 단부(도6에 도시된 바와 같이)에 연결된다. 일련의 연속한 플레넘-HPC 베인 밀봉부(172)는 각각의 밀봉 덧대임판(174)의 상부측에 연결된다[이 실시예에서는 3개의 밀봉부(172)가 도시되었지만, 작동 깊이 및 밀봉부상에 작용하는 힘에 따라 다른 갯수의 밀봉부(172)를 사용하는 다른 디자인도 가능함을 인식해야 한다]. 각도를 이루어 배치되고 액체 레벨 센서 조립체(170)로 둘러싸이고 보호되는 플레넘 액체 레벨 센서(171)의 눈금새긴 세트는 구동 가스 플레넘(124)의 내부에 배치된다. 도시된 바와 같이, 작동 착수 중 HPC(102)의 구동면으로 플레넘 가스 오버플로우를 지향시키는데 사용될 플레넘 구동 가스 오버플로우 절결부(125)는 플레넘(124)의 구동측의 바닥에 배치된다. 일련의 플레넘 지지 푸터(126)가 도시되었으며, 상기 푸터(126)는 전략적으로 플레넘(124)을 탱크 바닥(129)(이 도면에는 도시되지 않음) 위에 배치하며, HPC(102) 바로 아래에 바람직하게 배치한다.

도7의 실시예에 있어서, HPC 구동 가스 시스템은 탱크(134) 및 탱크 커버(118)를 포함하는 더욱 복잡한 3개의 압축기 디자인을 포함한다. 모든 가스 파이핑(piping)/배관(plumbing) 커플링은 밀봉됨으로써, 그 어떤 가스 누설도 방지한다. 도시된 바와 같이 탱크 커버 압력 경감 도어(119)는 탱크 커버(118)의 수직면에 장착된다. 가스 복귀라인(132a)은 탱크 커버(118)의 후방측을 빠져 나와, 가스 스핀(spin) 필터(136)에 연결된다. 가스 복귀라인(132b)은 가스 스핀 필터(136)를 빠져 나와, 일방향 가스 체크밸브(141a)의 입력측에 연결된다.

체크밸브(141a)의 반대측에서, 가스 복귀라인(132b)은 가스 압축기(138)의 입력 포트에 추가적으로 연결된다. 압축된 구동 가스(178)는 구동 가스 공급라인(116a)을 통해 압축기(138)의 출구 포트를 빠져 나와, 일방향 가스 체크밸브(141b)의 출력측을 통과한다. 그후, 압축된 구동 가스(178)는 체크밸브(141b)의 출구 포트를 빠져 나와, 구동 가스 공급라인(116b)의 나머지를 연속적으로 통과한다. 구동 가스 공급라인(116b)은 제2구동 가스 공급라인(116c)에 연결될 수 있으며, 그에 따라 다른 압축기의 압축된 가스 출력에 연결된다. 구동 가스(178)는 탱크 커버(118)[탱크(134)의 우측으로부터 도시된 바와 같이]의 면을 통해 유입되어 탱크(134)내로 흐른다. 전기동력식 가스 스핀 필터 액체 복귀펌프(139)의 입력측은 가스 스핀 필터(136)의 웅덩이형 바닥 부분에 형성된 작은 밀봉된 개구에 연결될 수 있다. 따라서, 액체 출력은 가스 스핀 필터 액체 복귀라인(137)에 연결되는 가스 스핀 필터 액체 일방향 체크밸브(143)에 연결된다. 가스 스핀 필터 액체 복귀라인은 구동 액체(111)(도4)의 상부면 위에서 그 종료 단부가 탱크(134)의 상부에 형성된 개구에 연결될 수 있다. 또한, 구동 가스의 양(도시않음)을 라인(224)의 종료 단부에 분배하는 구동 가스 공급라인(116c)에 연결하는 마이크로 버블러 축간 가스 공급라인(224)이 도시되어 있다. 라인(224)의 단부는 액체기밀 탱크벽 밀봉부(122)를 통해 탱크(134)를 관통하는 외측 구동축(107)의 외측 단부(이 도면에는 도시되지 않음)에 연결되는 축간 회전 가스 커플러/조인트(222)에 연결된다.

도8의 실시예에서, 액체기밀 HPC 열관리 구동 액체 시스템은 단일의 압축기 디자인을 포함한다. 구동 액체(111)는 출구라인(146a)을 통해 탱크(134)를 빠져 나오고, 그 입구는 탱크의 상부 근처에 장착되어 액체의 상부면 아래로 잠긴다. 출구라인(146a)은 2방향 HPC 액체 흐름 제어밸브(144a)의 2개의 입구 포트중 하나에 연결된다. 출구라인(146b)은 도시된 바와 같이 밸브(144a)를 빠져 나온다.

구동 액체 흐름 제어밸브(144a)의 구동 액체 통로에 이어, 구동 액체는 라인(146b)의 출구를 액체 흐름 펌프(142a)의 입구 포트에 연결하는 중간 액체 출구라인(146b)의 입구 단부로 연장된다. 상기 펌프(142a)는 그 출구들중 하나를 그 잠열을 냉각하고 버리기 위해 구동 액체가 펌핑되는 액체 냉각 풀(pool)(154)에 연결하는 2방향 냉각 풀 액체 흐름 제어밸브(144b)의 흡입부로 액체를 이동시킨다. 액체 흐름 제어밸브(144b)의 제2출구는 액체 냉각 풀(154)의 출구를 제어하는 2방향의 제2액체 냉각 풀 액체 흐름 제어밸브(144c)의 제1입구에 연결되는 냉각 풀 액체 바이패스 라인(152)을 통해 구동 액체 흐름을 지향시킨다. 액체 냉각 풀(154)은 액체 입구라인(150a)의 입구측에 연결되는 2방향의 제2액체 냉각 풀 액체 흐름 제어밸브(144c)의 2개의 입구중 제2입구에 직접 연결된다. 액체 입구라인(150a)은 그 출구 포트를 압축기 액체 입구라인(150b)에 연결하는 액체 흐름 펌프(142b)의 입구 포트에 연결된다. 입구라인(150b)은 가스 압축기(138)의 액체 냉각제(coolant) 흡입 포트에서 종료된다. 압축기(138)를 위한 액체 냉각제 출구 포트는 압축기 출구 액체 흐름 제어밸브(144d)에 연결되는 압축기 액체 출구라인(148a)에 연결되며, 상기 압축기 출구 액체 흐름 제어밸브는 HPC 바이패스 액체 흐름 제어밸브(144e)의 입구 포트에 연결되는 액체 입구라인(148b)에 그 출구 포트를 연결한다. HPC 바이패스 액체 흐름 제어밸브(144e)는 2개의 출구 포트를 갖는다. 제1출구 포트는 탱크 액체 입구라인(148c)에 연결된다. 입구라인(148c)은 탱크 커버(118)를 통과하여 연장되고, 탱크(134)의 바닥 근처에서 종료된다. HPC 바이패스 액체 흐름 제어밸브(144e)의 제2출구 포트는 탱크 액체 바이패스 라인(152)에 연결된다. 액체 바이패스 라인(152)은 2방향 액체 흐름 제어밸브(144a)의 제2입구에 연결된다.

도9에서, HPC는 단일의 압축기 디자인을 갖는 단일의 출력 파워 생산 시스템에 통합된다. 외측 구동축(107)은 상술한 바와 같이 탱크(134)를 빠져 나와, 파워/토오크-과부하 해제가능한 HPC 구동축 파워 해제 커플러(156)의 파워 입력측에 연결된다. 파워 해제 커플러(156)의 출구측은 강화 기어박스(158)에 연결되는 파워 축(157)에 연결된다. 기어박스(158)는 교류발전기/발전기(160)를 구동시키는 중간 파워 축(159)에 연결된다. 다수의 파워 라인(180)은 교류발전기/발전기(160)를 빠져 나와, 전기 출구 제어시스템(164)에 연결된다. 상기 전기 출구 제어시스템(164)은 압축기(138)의 압축기 구동 모터(140)에 연결되는 압축기 공급라인(166)을 공급하고, 전기 출력 서비스 라인(162)을 통해 HPC 시스템에 필요없는 과잉 전력을 공급한다.

도10에는 선체(184)의 내부에 내장되며 내부 HPC(도시않음)를 갖는 밀봉된 HPC 탱크 시스템(190)이 외측 구동축(107)을 통해 교류발전기/발전기 파워 출력 라인에 연결된 교류발전기/발전기(160) 및 전기 출력 제어시스템(164)을 구동시키는 군함 파워 어플리케이션이 도시되어 있다(이 실시예에서는 HPC를 교류발전기/발전기를 직접 연결하는 것을 인식해야 한다. 최종 용도 파워 요구사항 및 HPC의 크기 등에 따라, 다른 실시예는 직접구동 디자인 및 기어형 디자인을 사용할 수도 있다). 전력 라인(193)은 전기 출력 제어시스템(164)으로부터 선박 구동 모터(192)로 연장된다. 다수의 압축기 전력 공급라인(166)은 압축기 구동 모터(140) 및 선박의 압축기(138)를 연결한다. 선박 구동 모터(192)는 프로펠러 축(195) 및 프로펠러(194)를 구동시킨다.

흡입부(186)는 액체 입구라인(150)에 의해 압축기(138)에 연결된 압축기 입구 펌프(188)에 상당량의 외수(outside water)(182)를 공급한다. 도시된 바와 같이 다수의 압축기(138)가 있을 수도 있다. 압축기(138)로부터, HPC 액체 입구라인(148)은 탱크(190)에 연결된다. 물 시스템 출구 밸브(196)에 연결되는 HPC 액체 출구라인(146)은 탱크(190)의 고물(aft)에 연결된다. 출구 밸브(196)는 물(182)이 물 출구 포트(197)를 통해 선체를 빠져 나오는 선박의 선체(184)에서 종료된다. 압축기(138)는 밀봉된 HPC 탱크 시스템(190)에 연결되는 구동 가스 공급라인(116)에 연결된다. 가스 복귀라인(132)은 탱크 시스템(190)을 빠져 나와 각각의 압축기(138)의 가스 입구측에 연결된다.

도11에 있어서, 완성된 HPC 시스템은 단일의 출구축 및 3개의 압축기 디자인을 포함한다. 도12에는 마이크로 버블러 시스템의 부품들이 제공된다. HPC(102)를 통해 연장되는 중공의 구동축(104)은 압축된 가스를 중앙의 가스 통로(105)를 통해 축(104)의 코어에 공급한다. 축간 회전 가스 조인트(222)는 구동축(104)의 비 구동 단부상에 장착되며, 마이크로 버블 주입을 위해 압축된 마이크로 버블러 가스를 공급하는 압축기에 연결된다. 축의 가스 통로(105)는 HPC 코어 지지체(108)의 내부에 연결되며, 단부판 깊이가변형 압력 조절기(202)의 입구에 연결되어 동일한 마이크로 버블러 가스를 공급하는 단부판 축-조절기 서비스 라인(204)을 통해 상기 마이크로 버블러 가스를 공급한다. 압력 조절기(202)는 HPC 단부판(114)의 내벽에 장착된다. 압력 조절기(202)의 조절된 가스 출구는 단부판의 마이크로 버블러 반경방향 절결부 슬롯(115)을 통해 압력조절된 마이크로 버블러 가스를 통과시키고, 그후 단부판 마이크로 버블러(106)의 후방으로 통과시킨다. 각각의 HPC(102)는 단부판(114)에 반경방향으로 통합된 다수의 마이크로 버블러(106)를 가지며, 그 정확한 갯수는 각각의 특수한 작동 요구사항을 위해 최적화된 디자인에 따른다. 마이크로 버블러 가스는 기생 유체역학적 드래그 힘을 감소시키기 위해 미세한 가스 통로(214)(도14)를 통해 구동 액체(111)(별도로 도시않음)내로 방출된다.

또한, 중공의 구동축(104)의 중앙 가스 통로(105)는 HPC 코어 지지체(108)의 내부에 연결되며, 베인 깊이가변형 압력 조절기(206)의 입구측에 연결되어 압축된 마이크로 버블러 가스를 공급하는 축-베인 압력 조절기 서비스 라인(208)의 입구에 압축된 마이크로 버블러 가스를 공급한다. 압력 조절기(206)는 압력조절된 마이크로 버블러 가스를, 라인(212)의 출력이 베인 마이크로 버블러(210)의 후방측에 조절된 마이크로 버블러 가스를 공급하는 베인 압력 조절기 마이크로 버블 서비스 라인(212)에 공급한다. 베인 마이크로 버블러(210)는 기생 유체역학적 드래그 힘을 감소시키기 위해 마이크로 버블을 구동 액체(111)(별도로 도시않음) 내로 방출하는 다수의 미세한 마이크로 버블 가스 방출기 통로(214)(도15)를 갖는다. 베인 마이크로 버블러는 유체역학적으로 흐르는 로우 드래그 방식으로 HPC 베인(110)에 장착된다.

HPC의 내부 부품에 대한 서비스는 다수의 HPC 단부판 접근 도어 부착볼트(201)에 의해 단부판(114)에 부착되는 HPC 단부판 접근 도어(200)를 통해 이루어진다. 단부판(114)은 HPC 코어 지지체(108) 및 단부판(114)에 의해 제조된 원통형의 공동 내외의 압력을 균등화하기 위해 단부판(114)을 뚫은 이격된 다수의 압력 이퀄라이저 구멍(198)을 갖는다.

도13은 단부판 마이크로 버블러 부품을 도시하고 있다. 중공의 구동축(104)은 축(104)의 코어의 중앙 가스 통로(105)를 통해 구동 가스(178)를 공급한다. HPC의 구조물의 내부에서, 축의 가스 통로(105)는 단부판 깊이가변형 압력 조절기(202)에 연결되는 단부판 축-조절기 서비스 라인(204)에 연결된다. 압력 조절기(202)는 HPC 단부판(114)의 내벽에 장착된다. 압력 조절기(202)는 구동 가스(178)(이 도면에는 도시않음)를 HPC 단부판(114) 및 마이크로 버블러 반경방향 절결부 슬롯(115)을 통해 동일면에 장착된 단부판 마이크로 버블러(106)의 후방으로 통과시킨다. 각각의 HPC는 단부판에 반경방향으로 통합된 다수의 마이크로 버블러를 가지며, 그 정확한 갯수는 각각의 특수한 작동 요구사항을 위해 최적화된 디자인에 따른다.

도14에 있어서, 단부판 마이크로 버블러는 그 면을 통해 형성된 다수의 미세한 마이크로 버블러 가스 방출기 통로(214)를 갖는 단부판 마이크로 버블러 섹션(106)을 포함한다. 단부판 마이크로 버블러(106)의 말단부(축으로부터 가장 먼)는 그 말단부에 더 많은 마이크로 버블의 발생을 허용할 기단부(축에 가장 가까운) 보다 미세하게 천공된 더 많은 방출기 통로(214)를 가질 수 있다.

도15에 있어서, 베인 마이크로 버블러는 HPC 단부판(114)에 연결된 HPC 베인(110)과, 상기 베인(110)이 많은 미세한 마이크로 버블러 가스 방출기 통로(214)가 구비된 중공의 베인 마이크로 버블러(210)를 갖는 HPC 코어 지지체 실린더(108)를 포함한다. 베인 마이크로 버블러(210)는 로우 드래그 방식으로 베인의 엣지에 연결되며, 베인 마이크로 버블러(210)는 로우 드래그 디자인을 나타내는 베인(110)의 외측 대면 엣지에도 연결된다. 중공의 축(104)은 베인 깊이가변형 압력 조절기(206)에 연결되는 축-베인 압력 조절기 서비스 라인(208)에 연결되므로, 조절기의 출구는 베인 마이크로 버블러 서비스 라인(212)에 대한 베인 압력 조절기에 연결될 수 있다. 베인 마이크로 버블러 서비스 라인(212)은 작동가능한 HPC상의 기생 드래그 감소를 감소시키기 위해 깊이조절된 마이크로 버블이 균일하게 방출되는 베인 마이크로 버블러(210)와의 연결부에서 종료된다.

도16에는 HPC 베인(110)을 따라 길이방향으로 작동되는 베인 마이크로 버블러(210) 및 기생 단부판 마이크로 버블러 디자인(베인 중간 지지체는 도시 목적상 생략되었음을 인식해야 한다)을 사용하는 "소형 HPC" 디자인이 제공된다. 소형 HPC 디자인은 HPC 코어 내부에 단부판 마이크로 버블러 시스템 대신에 정지형 HPC 단부판 마이크로 버블러 시스템을 사용할 수 있다. 정지형 마이크로 버블 시스템은 함께 전략적으로 접합되고 HPC 단부판(114)의 하부의 외향 대면 엣지에 인접한 고정된 위치에서 일련의 정지형 단부판 마이크로 버블러 지지 레그(217)상에 바람직하게 장착되는 여러개의 중공의 정지형 단부판 마이크로 버블러(216) 섹션으로 구성된다. 마이크로 버블 가스는 정지형 단부판 마이크로 버블러 서비스 라인(218)을 통해 마이크로 버블러(216)에 제공된다.

도17은 중공의 마이크로 버블러 섹션(216)이 그 상부면을 따라 천공되어 마이크로 버블 가스가 마이크로 버블의 스트림으로 구동 액체(111)(도시않음)로 유입되게 하는 미세한 마이크로 버블러 가스 방출기 통로(214)를 갖는 정지형 마이크로 버블러를 상세히 도시하고 있다. 마이크로 버블 방출기 통로(214)의 변화된 양이 도시되어 있으며, 그 갯수는 특수한 마이크로 버블러 섹션의 길이를 따라 상이한 위치에서 필요로 하는 마이크로 버블의 양에 기초한다. 이들 통로(214)의 갯수 및 위치는 다른 실시예를 위해 변화될 수 있다. 또한, 마이크로 버블러 섹션(216)에 연결되어 이에 가스를 제공하는 정지형 단부판 마이크로 버블러 서비스 라인(218)이 도시되어 있다.

도18은 2개의 회전 밸브 직접 가스 주입기의 세트를 사용하는 HPC를 도시하고 있다. HPC(102)는 그 각각의 단부에 배치되지만, HPC 프로퍼(proper) 및 한쌍의 HPC 회전 밸브 오목부(별도로 도시하지 않음)에는 부착되지 않는다. 각각의 오목부에 회전 밸브 본체(226)가 삽입되지만, HPC(102) 프로퍼에는 연결되지 않는다. 각각의 정지형 회전 밸브(226)는 단일의 회전 밸브 지지 플랜지(234) 또는 회전 밸브 지지체 플랜지의 세트에 의해 탱크의 HPC 베어링 지지체(130)에 연결된다. 회전 밸브는 단열된 구동 가스 공급라인(116)에 부착된다. 탱크(134) 및 운동 중인 HPC(102)에 대해 배플을 정지상태로 유지하는 배플-탱크 지지체(238)에 의해 제 위치에 유지된 외부 배플(236)의 세트는 탱크의 바닥 근처에 전략적으로 바람직하게 배치된다. 또한, 회전가능한/절첩형 HPC 유지보수 지지 기둥(123)의 세트는 탱크(134)의 바닥에 연결된다.

도19에는 회전 밸브 직접 가스 주입기 조립체가 상세히 도시되어 있다. 회전 밸브 본체(226)는 단단한 단일 부재 구조이다. 회전 밸브 본체(226)는 HPC의 버킷(109)(이 도면에는 도시않음)의 내부에 가스를 함유하는 단일의 또는 다수의 회전 밸브-HPC 밀봉부(232)를 그 굴곡된 회전면에 형성한다. HPC와 회전 밸브 본체(226) 사이의 공차 간극에 가까운 특별한 칫수의 사용과, 립 밀봉부와, HPC-회전 밸브 본체면내에 구동 가스(178)(이 도면에는 도시하지 않음)를 보유한 다른 형태의 밀봉부도 예견된다. 회전 밸브 본체의 외측면은 회전 밸브 본체의 외측면으로부터 회전 밸브 가스 방출 오리피스(230)의 기부 내측면으로 연장되는 회전 밸브 가스 통로(228)를 갖는다. 회전 밸브 가스 통로(228)는 구동 가스를 HPC에 공급하는 회전 밸브 가스 방출 오리피스(230)에 단열된 구동 가스 공급라인(116)을 연결한다. 회전 밸브 가스 방출 오리피스는 특별히 계량된 구동 가스(178) 차아지(charge)가 오리피스를 통과할 때 HPC 버킷내에 주입될 수 있도록 회전 밸브 본체(226)의 외주에 대해 큰 아크(arc) 각도의 크기를 갖는 개구를 갖도록 특별히 형성된다. 개구의 아크가 클수록, 특수한 HPC 디자인의 충전 시간의 기간이 길어진다.

오리피스의 크기, 구동 가스 압력, 마찰과 라인 굴곡 및 라인 크기 등과 같은 가스 분배라인 제한사항, HPC의 회전 속도 등의 여러가지 요소가 HPC 버킷을 통과하는 가스의 양에 영향을 끼친다. 도19는 기준 지점으로서 축(104)을 도시하고 있으며, 도시된 회전 밸브 본체(226)는 구동축(104)과 접촉하지 않지만, 도시되지 않은 다른 실시예는 많은 어플리케이션 의존형 HPC-회전 밸브 인터페이스 구조가 필요하다면 밀착된 공차의 에어 베어링 형식 저어널을 관통하는 축(104)을 가질 수도 있다. 회전 밸브 지지 플랜지(234)는 회전 밸브를 탱크의 HPC 베어링 지지체(130)(이 도면에는 도시하지 않음)상의 제 위치에 단단히 보유하는 수단으로서 도시되었다. 회전 밸브를 정지상태로 보유하는 도시하지 않은 다른 형태도 사용될 수 있다. 도시하지 않은 다른 회전 밸브 본체 실시예는 에어 베어링으로서 실질적인 크기의 회전 밸브 본체(226)를 사용하는 것을 포함하며, 이런 디자인은 추가적인 HPC 축 베어링에 대한 필요성을 제거할 수 있다.

도20은 압축된 천연가스를 사용하여 구동되는 HPC를 도시하고 있다. HPC(102)(도4 또는 도18에 도시된 바와 같이)를 보유하는 탱크(134)는 적절한 크기를 갖는 일련의 탱크 커버 볼트(258)에 의해 유지되는 실질적인 탱크 커버(256)를 갖는다. 고압 천연가스는 특수한 HPC 시스템/어플리케이션을 위해 천연가스 입구 압력을 지정된 작동 압력으로 감압시키는 천연가스 압력 조절기(252)에 연결되는 천연가스 고압 입구라인(250)을 통해 탱크(134)로 유입된다. 조절된 천연 가스 입구라인(254)은 HPC 작동을 위해 천연가스를 조절기(252)의 출구로부터 탱크내의 단열된 HPC 구동 가스 공급라인에 분배한다. 천연 가스가 HPC를 구동한 이후에 그리고 탱크(134)의 내부에서 구동 액체(111)(도4)의 상부면 위로 사용할 수 있게 된 이후에, 사용된 천연가스는 탱크(134)로부터 천연가스 HPC 출구라인(260)을 통해 중간의 천연가스 라인(264)를 통해 분리기(262) 사이를 통과하는 천연가스 /구동 액체 분리기(262)의 단일 세트 또는 다수의 세트에 연결된다. 분리기(들)(262)는 천연가스로부터 구동 액체 증기를 천연가스 최종 용도 소비자에 의한 추가적인 사용을 위해 천연가스가 적절한 사양에 부응하는 정도로 제거한다. 탱크(134)내로 지속적으로 팽창하는 구동 가스에도 불구하고 구동 액체 온도를 유지하기 위해 구동 액체(111)에 열관리가 추가될 수 있는 분리장착된 구동 액체 열관리 시스템은 도시되지 않았다.

분리기에 의해 제거된 구동 액체는 구동 액체 복귀 펌프(310)로 계속되는 구동 액체 응축물 복귀라인(292)의 입구를 통해 연결되는 분리기(262)의 베이스로부터 탱크(134)로 복귀된다. 펌프(310)의 출구는 상기 응축물(294)이 탱크(134)내의 구동 액체 표면(도시않음) 위에 퇴적되는 탱크(134)의 상부 엣지에서 종료되는 연속적인 복귀라인(292)을 통해 구동 액체 응축물(294)을 보낸다. 천연가스는 분리기 이후의 천연가스 압력 조절기(268)에 연결되는 분리기 천연가스 출구라인(266)을 통해 떠나며, 상기 천연가스 압력 조절기는 HPC 이후의 천연가스 출구 서비스 라인(270)에 연결된다. 서비스 라인(270)으로부터 천연가스의 유출은 그 후에 최종 용도 소비자에게 분배된다. 도시되지 않은 다른 디자인은 천연가스를 HPC 이전의 압력 레벨로 복귀시켜 본래의 전달 모드를 통해 천연가스의 계속적인 전달을 허용하는 천연가스 부스터 펌핑 스테이션을 갖는다. HPC 천연가스 구동 시스템은 물 처리 플랜트 및 석유화학 플랜트에 사용된 바와 같은 종래의 제어시스템에 의해 자동으로 제어된다.

도21의 실시예에서, HPC는 사용가능한 그 어떤 열원이라도 사용하는 이원(binary) 가스 구동 시스템의 사용을 통해 작동된다. 구동 가스 플레넘(124)(도4) 또는 회전 밸브 본체(226)의 주입 시스템(도18)을 사용하는 표준 HPC(102)(도4 또는 도18에 도시)는 실질적으로 강화된 일련의 탱크 커버 누름쇠 볼트(258)에 의해 탱크(134)에 결합된 강화 탱크 커버(256)를 갖는 탱크(134) 내에서 구동 액체(111)(이 도면에는 도시하지 않음)에 잠긴다. 탱크 히터 회로(276)는 탱크(134)의 구동 액체를 최적의 작동 온도로 가열하며, 관련된 탱크 히터 회로(276)의 파이핑 및 제어밸브(278c)를 통해 방사된 열을 분배하는 파이프 시스템을 통해 가열된 액체를 펌핑하는 것으로 구성된다.

이원 시스템(binary system)의 핵심은 증발기(286)와 응축기(290) 및 관련의 연결된 파이핑과 밸브 및 펌프로 구성된 폐쇄루프 시스템에서 비등점이 낮은 액체의 사용이다. 이런 이원 시스템은 표준이며, 미국 및 유럽에서는 통상적으로 지열 전기발전소에서 볼 수 있는 것으로 알려져 있다. 증발기(286)는 폐쇄된 회로를 통해 이동하는 가열된 액체를 증발기(286)를 통해 수용한다. 가열된 액체는 열 소스 입력라인(282) 및 제어밸브(278a)를 통해 증발기(286)로 유입되며, 증발기의 내부 폐쇄 가열회로(도시않음)를 통해 이동하고, 열 소스 복귀라인(284)를 통해 증발기(286)를 떠난다. 상기 가열된 액체는 그 열에너지의 작동상 중요한 부분을 이원 액체에 전달한다. 이원 액체는 증발기(286)내에서 가스화되며, 연결된 이원 구동 가스 입력라인(280)과, 연결된 이원 가스 제어밸브(278b)와, 일방향 체크밸브(274a)를 통해 증발기를 떠난다. 체크밸브(274a)를 떠나는 구동 가스 입력라인은 HPC 작동을 위해 이원 구동 가스를 연결된 그리고 단열된 구동 가스 공급라인(116)에 분배한다

이원 구동 가스가 HPC를 작동시킨 후, 상기 가스는 단일의 또는 일련의 이원 구동 가스/구동 액체 증류 분리기(300)에 연결된 이원 구동 가스 HPC 출구라인(302)의 사용을 통해 탱크(134)로부터 배출된다. 이 실시예에는 다수 세트의 분리기(300)가 도시되어 있다. 조합된 이원 구동 가스 및 구동 액체는 분리기(300)와 상기 분리기의 상부 및 바닥에 배치된 분리기 사이의 가스/액체 라인(308)을 통해 연속적으로 이동된다. 이원 구동 가스는 이원 구동 가스 응축기 입력 라인(298)을 통해 분리기(들)를 떠나며, 상기 이원 구동 가스 응축기 입력 라인은 이원 시스템 응축기(290)에 연결된 제어밸브(278c)를 통해 연결된다. 폐쇄 회로 응축 코일은 응축기(290)내에 있다. 응축기 냉각제는 응축기 냉각제 펌프(316) 및 및 다른 제어밸브(278d)에 연결된 응축기 냉각제 입력라인(314)에 연결되는 액체 냉각 풀(154)로부터 응축기(290)내로 흐른다. 응축기의 폐쇄 회로를 이동시킬 동안 응축기(290)의 내부로부터 열 에너지를 흡수한 후, 응측기 냉각제는 응축기 풀(154)의 후방에서 종료되는 응축기 냉각제 복귀라인(318)에 연결되는 응축기 코일을 떠난다. 응축기(290)의 내부에서, 이원 구동 가스는 이원 액체 응축물(296)을 응축하고, 구동 액체 응축물(294)의 양을 추적한다. 이원 액체 응축물(296)은 응축기(290)에 연결되는 이원 액체 라인(306a)에 의해 응축기(290)의 바닥으로부터 배출된다. 이원 액체 라인(306a)의 반대측 단부는 이원 액체(296)를 라인(306a)의 다른쪽 단부로부터 이원 액체 저장탱크(297) 내로 펌핑하는 이원 액체 펌프(288a)에 연결된다. 이원 액체 저장 탱크(297)의 웅덩이는 다른쪽 단부가 다른 이원 액체 펌프(288b)에 연결되는 다른 이원 액체 라인(306b)에 연결되며, 상기 이원 액체 펌프는 출구가 증발기(286)내로 피드백되는 다른 일방향 체크밸브(274b)에 연결된다. 이원 가스 압력 릴리프 탱크(299)에 연결되는 이원 가스 압력 릴리프 라인(303)에 출구 단부가 연결되는 탱크 과압 릴리프 밸브(304)는 강화된 탱크 커버(256)의 상부에 안착되어 연결된다. 반대측 단부가 다른 제어밸브(278e)에 연결되는 다른 이원 액체 라인(306b)은 압력 릴리프 탱크(299)의 바닥에 연결되며, 상기 이원 액체 라인은 이원 액체 저장 탱크(297)의 베이스를 떠나는 이원 액체 라인(306)과 연결되는 다른 이원 액체 라인(306c)에 연결된다.

그 이원 유체(두 종류 유체)(binary fluid)(296)를 체크밸브(274b)에 공급하는 라인(306)의 조합은 이원 시스템 처리를 다시 시작하기 위해 증발기(286)에 인입된다. 또한, 구동 액체(294)를 구동 액체 복귀 펌프(310)의 입구측에 공급하는 구동 액체 응축물 복귀라인(292a)은 응축기(290)의 측부에 연결된 상태로 도시되어 있다. 펌프(310)의 출력은 그 종료 단부가 구동 액체 응축물(294)을 탱크(134)의 상부의 내측에 퇴적하는 복귀라인(292a)의 연속부에 공급된다. 또한, 다른 구동 액체 복귀 펌프(310)의 출력측으로 이어지는 구동 액체 복귀라인(292b)은 마지막 분리기(300)의 베이스에 연결된다. 상기 제2펌프(310)의 출구측은 그 종료 단부가 분리기를 기반으로 하는 구동 액체 응축물(294)을 탱크(134)의 상부내에 퇴적하는 분리기의 구동 액체 복귀라인(292b)의 연속부에 연결된다. 이 도면은 이원 시스템의 오직 하나의 변형예만을 도시하고 있다. 냉각탑, 증발 쿨러, 칠러(chiller) 유니트와 같은 응축기 냉각을 제공하는 다양한 다른 수단은 도시되지 않았다. HPC 이원 구동 시스템은 지열 이원 시스템 및 석유화학 플랜트에서 통상적으로 사용되는 제어 처리/시스템에 의해 자동으로 제어된다.

도22는 스팀 구동 시스템을 사용하여 구동되는 HPC를 도시하고 있다. 석탄 연료 연소, 핵분열로, 지열 처리 등과 같은 많은 상이한 열 소스로부터 통상적으로 사용가능한 스팀(320)의 양은 제어밸브(278a)에 연결되는 스팀 입력라인(322a)을 통해 HPC 처리로 유입된다. 제어밸브(278a)의 출구는 조절된 스팀 입력라인(322)에 연결된다. 조절된 스팀 입력라인의 말단부(322b)는 그 출구가 탱크(134)내에서 HPC 구동 가스 공급라인(116)에 연결되는 일방향 체크밸브(274)에 연결된다. 스팀은 스팀이 HPC 처리를 통해 깊은 탱크 깊이의 고압으로부터 얕은 탱크 깊이로 작동될 때 탱크(134)에서 구동 액체(111)의 냉각 및 팽창의 조합을 통해 HPC 작동중 자체응축된다.

탱크 열 축적은 탱크(134)의 내부의 구동 액체(111)의 상부면 아래에서 시작되는 고온의 구동 액체 배출라인(330)을 포함하는 온도관리 시스템을 통해 제어된다. 라인(330)은 그 출구가 액체 흐름 펌프(142)에 연결되는 라인(330)의 연속부에 연결되는 제어밸브(278b)에 연결되고, 상기 액체 흐름 펌프의 출구는 냉각 풀(154)에서 마지막으로 종료되는 라인(330)의 연속부에 연결된다. 다른쪽 단부가 구동 액체 복귀 펌프(310)에 연결되는 구동 액체 복귀라인(312)에 의해 냉각 풀(154)로부터 더욱 차가운 냉각제가 배출된다. 펌프(310)의 출구는 구동 액체 복귀라인(312)의 연속부에 연결되고, 라인(312)의 반대측 단부는 탱크(134)의 상부 엣지에 연결되며, 차가운 구동 액체가 탱크(134)의 내측에 도입된다.

HPC 이후의 나머지 스팀(326)은 다른쪽 단부가 나머지 스팀 응축 시스템(328)에 연결되는 강화된 탱크 커버(256)에 연결되는 스팀 출구라인(324)에 의해 탱크(134)의 내부의 표면을 떠난다. 이러한 스팀 응축 시스템(328)은 상업용 빌딩에 사용되는 대형 스팀 가열 시스템에 통상적으로 사용된다. 스팀 응축물은 배출라인의 다른쪽 단부가 제어밸브(278c)에 연결되고 밸브의 출구 단부가 연속적인 스팀 응축물 라인(332)에 연결되는 스팀 응축물 배출라인(332)를 통해 스팀 응축 시스템(328)을 떠난다. 스팀 응축물 라인의 다른쪽 단부는 냉각 풀(154)에서 종료된다. HPC 스팀 구동 시스템은 스팀 가열 플랜트 및 석탄을 기반으로하는 스팀 작동식 발전소에 통상적으로 사용되는 제어 처리/시스템에 의해 자동으로 제어된다.

도23은 대형 캐스케이드 HPC 형상을 도시하고 있다. 캐스케이드 HPC(354)의 세트는 하부 HPC(354)로부터 상부의 계단식 HPC로 구동 가스(178)의 분배를 허용하기 위해 서로 거리를 두고 세팅된다. 상향 지점의 역 갈매기형 중간 가스충전 전환 플레넘(358)의 가장 낮은 지점에 연결되는 구동 가스 차아지 분할기 판(356)은 가장 낮은 단일의 또는 다수의 HPC 열(row)의 바로 위에 있다. 구동 가스를 플레넘 바로 위의 캐스케이드된 HC에 공급하는 구동 가스 플레넘(124)은 나란히 배치된 전환 플레넘의 각각의 쌍의 결합부 사이에 연결된다. 가스 차아지(178)는 HPC 사이에서 다양한 레벨로 도시되어 있다. 각각의 가스 차아지(178)의 상대 체적은 각각의 깊이에서 상이한 압력 레벨로 가스의 가스 분자의 동일한 덩어리/갯수를 나타내는 것을 인식해야 한다. 구동 가스는 압력이 감소될 때 팽창되어, 작동 압력이 깊이의 함수로서 자연적으로 감압됨에 따라 동일한 가스 차아지(178)가 HPC에 더욱 많은 부양 체적 변위를 제공하게 한다. 본질적으로, 동일한 크기 및 변위의 HPC는 이 도면에 도시된 바와 같이 연속적으로 얕은 각각의 상부 열(row)에 배치될 수 있다. 선택적으로, 도시되지 않은 실시예는 각각의 HPC의 레벨 사이에 단단히 연결된 거꾸로 뒤집힌 팬 형상의 구동 가스 수집기를 사용할 수도 있다. 낮은 레벨을 떠나는 구동 가스는 추가적인 가스가 수집되어 보유될 때 가스충전된 헤드 공간이 형성될 수 있는 가스 수집기에 수집될 수 있다. '헤드 공간'의 상부의 가스 수집기의 내측 상부면은 구동 가스가 가스 수집기를 횡단하여 균일한 깊이로 수집될 수 있도록 수평면의 레벨일 수도 있다. 역전된 팬 가스 수집기의 구동 가스 헤드 공간 때문에 각각의 플레넘(124)이 균등한 가스 차아지를 수용하는 플레넘(124)은 상기 '팬 형상' 의 가스 수집기의 상부면에 연결될 수 있다. 구동 가스는 팬을 떠날 수 있고, 그 각각의 HPC의 작동을 위해 각각의 플레넘이 동일한 양의 가스를 수용하는 가스 제어밸브를 통해 이동할 수 있다.

도24는 HPC 기저부하 발전소를 도시하고 있다. 뱅크(bank)(374)는 특수한 HPC 크기 및 뱅크당 HPC의 갯수가 각각의 설비의 특수한 작동 요구사항에 맞도록 설계된 하나이상의 HPC(102)를 포함할 수 있다. 분배된 파워 요구사항이 기저부하 전기발전소처럼 매우 많은 HPC의 다수의 뱅크(374)가 도시되어 있다. 각각의 HPC에 배치된 발전기(376)의 상대 변위도 도시되어 있다. 단일의 HPC로 하여금 2개의 작은 덜 비싼 발전기 대 디자인 고려사항이 그런 작동을 나타내는 하나의 대형 발전기를 작동하게 하는 HPC의 양 단부상의 발전기의 변위는 도시되지 않았다. HPC 플랜트의 작동 제어가 관리되고 플랜트를 위해 실행계획 및 유지보수 작동이 계획 및 실행되는 제어 하우스(370)가 도시되어 있다. 또한, HPC가 천연 가스, 이원 시스템 가스, 스팀, 또는 표준 가스와 같은 다른 가스에 의해 작동되는 지의 여부와 관계없이 구동 가스의 관리가 실행되는 압축 빌딩(378)이 도시되어 있다. 파워 하우스(372)는 고장력 라인(380)의 세트상에 전력의 다수의 발전기 입력 및 출력의 전기적 조합의 변위를 상태적으로 나타내도록 도시되었다. 플랜트의 광범위한 작동을 관리할 수 있는 자동화된 제어시스템은 도시되지 않거나 특별히 도시되었다. 이들 자동화된 제어시스템은 예를 들어 수력 댐(dam) 전기 발생 플랜트 및 석탄을 기반으로 하는 스팀 작동식 발전소에 사용되는 것과 같은 종래의 그 어떤 제어시스템일 수도 있다.

도25는 딥 베인 및 버킷을 갖도록 설계된 HPC를 도시하고 있다. HPC의 버킷 공간(109)을 형성하는 딥 베인(110)의 세트가 제공된다. 이러한 딥 베인은 각각의 개별적인 베인 세트에 의해 보유된 각각의 가스 차아지의 부력 제어의 기간을 더욱 길게 제공한다. "딥 베인(deep vane)" HPC 실시예는 다른 모든 면에서 도1의 실시예와 유사하다. 각각의 특수한 HPC 디자인은 요구되는 파워 출력을 위한 사양으로 발전되었으며, 설계자는 HPC(102)의 외경, 중앙 코어 지지체(108)의 직경에 의해 형성되는 바와 같이 "습식 영역"을 변화시킬 수 있다. 또한, 특정의 곡률반경 및 길이의 베인 설계는 특수한 파워 출력 목적을 달성하도록 작동된다. 도시되지는 않았지만, 그 어떤 디자인이라도 회전하는 기계적 파워 출력 요구사항에 부응하기 위해 상대적인 유체역학적 로우 드래그 계수를 가져야만 하는 요구사항이 있을 수 있다.

유압-공압 파워 실린더가 그 결과를 달성하는 방법의 작동 설명

HPC는 4개의 작동 단계[가스 차아징/버킷 충전, 회전하는 기계적 에너지로의 부력 변환, 가스 차아지 고갈/버킷 비움, 후방측 천이]를 통해 연속적으로 이동함으로써 작업을 실행한다.

예시적인 제1실시예: 가스구동식 HPC-플레넘

예시적인 제1실시예에서, HPC는 압축된 가스로 작동되고, 플레넘 챔버의 사용을 통해 가스가 공급된다. 이 실시에에서, HPC는 기저부하/프라임 파워(prime power) 전기 발생 어플리케이션을 구동하도록 설계된다. 군함 파워, 기계적 처리 구동기 등과 같은 다른 디자인도 유사하게 작동된다. 또한, 필요로 하는 디자인 고려사항을 감안하여 다른 구동 가스 소스가 사용될 수 있다.

전체적인 가스식 플레넘 공급 HPC 시스템은 구동 액체(111)로 충전된 HPC 탱크(134)에 HPC(102)가 적절히 배치되었을 때 작동할 준비가 된다. 작업자는 압축기(들)(138)를 작동시키기 위해 HPC 제어시스템을 통해 임시 시동 파워를 하나 이상의 압축기 구동 모터(들)(140)에 인가한다. 도7에 있어서, 압축기는 HPC 탱크 커버(118)의 내부로부터 구동 가스 복귀라인(132a, 132b)과 가스 스핀 필터(136) 및 흡입 일방향 체크밸브(들)(141a)를 통해 구동 가스(178)를 배출한다. 탱크 커버 압력 릴리프 도어(119)는 가스가 탱크 커버(118)로 유입되게 하고, 가스 과압이 대기로 통기되게 하고 가스가 압력부족(under-pressure)인 경우 탱크 커버(118) 내부로 대기 가스의 도입을 허용함으로써 과압 및 압력부족 보호를 제공한다. 표준 작동중, 압력 릴리프 도어(119)는 시스템내에 청정한 작동 가스가 유지되게 함으로써 가스 여과 서브시스템에 대한 필요성을 제거하도록 폐쇄된 상태로 유지된다. 하나 이상의 압축기(들)(138)는 구동 가스(178)를 압축하고, 구동 가스(178)를 압력하에서 배출할 수 있다. 압축된 구동 가스(178)는 단열된 구동 가스 공급라인(116a, 116b)과 출력 일방향 체크밸브(141b)를 통해 탱크(134)내에서 구동 가스 공급 제어밸브(176)(도5 참조)로 운반되었을 때 압축기(138)를 빠져 나온다. 구동 가스(178)는 탱크(134)의 바닥 "근처" 에서 구동 액체(111)의 정지 압력 보다 높은 압력하에 있으므로, 구동 액체(111)를 변위시킨다. 플레넘의 구동 가스 공급 제어밸브(176)는 상기 압축된 구동 가스(178)의 '설정된' 양/흐름율을 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177)에 배출하며, 상기 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버는 구동 가스(178)가 팽창되게 하고 구동 가스 플레넘(124)내의 구동 액체(111)의 깊이를 기반으로 하는 압력에 대응하도록 압력을 균등하게 한다. 균등화된 구동 가스(178)는 구동 가스 공급포트(168)를 통해 구동 가스 플레넘(124)으로 흐른다.

구동 가스(178)는 구동 가스 플레넘(124)의 바로 위에 배치된 HPC 버킷 영역(109)으로 유입된다. 이 시동 시퀀스의 초기에, HPC(102)는 정지되고 움직이지 않는다. HPC 시동 작동중, 제어시스템은 구동 가스 공급 제어밸브(176)의 플레넘 액체 레벨 센서(170)의 제어를 무시하고, 가스 공급 제어밸브(176)를 완전히 개방된 위치로 구동함으로써 사용가능한 모든 압축된 구동 가스(178)가 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177) 및 구동 가스 공급포트(168)를 통해 구동 가스 플레넘(124)으로 통하게 한다. 구동 가스(178)는 구동 가스(178)가 플레넘(124)을 완전히 충전할 때까지 플레넘(124) 내의 구동 액체(111)의 레벨을 내린다. 일단 플레넘(124)이 충전되며, 과잉 구동 가스(178)는 플레넘(124)의 '구동'측의 바닥상에서 플레넘 구동 가스 오버플로우 절결부(125)를 통해 탈출한다. 상기 오버플로우 절결부(125)는 플레넘(124)의 다른 바닥 엣지 보다 높게 배치됨으로써, 구동 가스(178)가 여기에서 처음으로 '누설' 되게 한다. 상기 '누설' 구동 가스(178)는 부양성이며, 탱크(134) 내의 구동 액체(111)를 통해 플레넘(124)의 '구동'측 바로 위에 배치된 HPC 버핏 영역(109)으로 상승한다.

HPC 베인(110)이 개별적인 HPC 버킷 영역(109) 내로 구동 가스(178)를 억제할 때, 상기 버킷 영역(109)은 구동 가스(178)로 충전될 것이다. 상기 구동 가스는 구동 액체(111)를 기밀성 HPC 버킷 영역(109)으로부터 부양가능하게 변위시킴으로써, HPC(102)의 특수한 버킷 영역(109)을 구동 가스 및 부양으로 가득차게 한다. 그 관련의 베인 중간 지지체 가스 통과 개구(113)를 갖는 베인 중간 지지체(112)는 여러가지 이유로 다수의 실시예에서 바람직하다는 것을 인식해야 한다. 베인 지지체(112)는 부양 부하하에서 각각 연결된 베인(110)상의 실질적인 부하를 인접한 베인(110)과, 다른 베인 지지체(112)와, 코어 지지체(108)와, 코어 지지체 내부 받침대(bracing)(도시않음)와, 마지막으로 구동축(104)에 전달하기 위해 추가적인 부하 통로를 제공함으로써 HPC(102)를 강화시키는 추가적인 구조물을 제공한다. 각각의 지지체(112)의 분리된 버킷 영역(109)의 개구(113)는 하기의 기능, 즉 각각의 베인이 형성된 버킷 영역(109)을 횡단한 가스 차아지의 평형화, 다수의 가스 충전/차아징 디자인의 허용, 전체로서 베인 중간 지지체(112) 및 HPC(102)의 전체 중량의 경량화를 실행할 수 있다. 계속적인 시동 시퀀스로서, 하나의 버킷 영역(109)이 구동 가스(178)로 충전될 때, 과잉 구동 가스(178)는 특정한 HPC 베인(110)의 립/엣지를 '범람' 한다. 이들 과잉 구동 가스는 사용가능한 다음 버킷 영역(109)으로 부양가능하게 상향하여 떠오르고, HPC상의 다음 버킷 영역을 구동 가스(178)로 충전하기 시작한다. 일단 충분한 버킷 영역(109)이 구동 가스(178)로 충전되고 중력을 기반으로 하는 부양력이 HPC(102)의 정지 관성을 극복하면, HPC(102)는 탱크(134)의 상부를 향해 움직이는 이들 구동 가스로 충전된 버킷 영역(109)과 함께 회전하기 시작한다.

회전하는 HPC(102)는 구동 가스 플레넘(124)의 내부에 액체충전된 버킷 영역(109)을 제공하기 시작한다. 중력 효과에 의해 새로이 제공된 버킷 영역(109)의 범위내의 무거운 구동 액체(111)는 플레넘(124)내에 제공된 바와 같이 가벼운 구동 가스(178)를 상기 버킷 영역의 바로 아래로 부양가능하게 변위시킨다. 대부분의 액체의 밀도가 대부분의 가스의 밀도 보다 600 배 이상이기 때문에, 그것 자체는 부양 교환이 오히려 빠르고 정력적이다. 따라서, 각각의 새로이 제공된 개방된 HPC 버킷 영역(109)은 그 무거운 구동 액체(111)를 중력으로 비우고, 가벼운 구동 가스(178)로 충전한다. 구동 가스 플레넘(124) 디자인의 다른 장점은 가스 교환이 정력적이다. 작동가능한 HPC 버킷 영역(109)의 구동 액체(111)는 HPC 구동축 주위로 회전하고 있고, 원심력하에 있다. 플레넘(124)의 내부에 노출되었을 때, 구동 액체(111)는 버킷으로부터 정력적으로 분출된다. HPC 베인(110)을 거친 구동 액체(111)의 이러한 원심 분출은 버킷 영역(109)으로부터 구동 액체(178)의 중력적인 배출을 초과할 수 있는 추가적인 회전 에너지를 제공한다. 원심력을 기반으로 하는 이런 추가적인 액체 흐름 회전 기계적 에너지는 HPC 부양력만으로 제공된 회전 에너지에 추가된다.

회전하는 HPC(102)는 구동 가스(178)로 더욱 많은 버킷을 충전할 때 파워 및 속도를 축적하고, 구동 가스 플레넘(124)으로부터 멀리 통과되어 버린다. 가스충전된 버킷 영역(109)의 HPC의 구동측 백분율은 증가되고, 따라서 HPC 베인(110)상에 더욱 많은 부력 에너지가 계속적으로 제공되어, HPC(102)에 더욱 많은 에너지 및 속도를 제공한다. 회전하는 HPC(102)가 상술한 바와 같이 새로이 분배된 압축된 구동 가스(178)로 연속적으로 보충되는 플레넘(124)으로부터 구동 가스(178)를 제거한다. 일단 HPC(102)가 회전하면, HPC 제어시스템은 플레넘(124) 구동 액체 레벨을 세팅하는 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177)내로 배출될 가스의 체적을 세팅하기 위해, 액체 레벨 센서 조립체(170)에서 플레넘 액체 레벨 센서(171)의 출력을 사용하기 시작한다. 액체 레벨 센서(171)는 플레넘(124)내의 구동 액체 레벨과 플레넘(124)의 측부상의 그 위치를 결정할 수 있다. 센서(171)의 변위는 플레넘(124)의 액체 레벨을 결정하고, 플레넘(124)으로 유입되도록 허용된 구동 가스(178)의 흐름율/양 을 작동가능하게 제어하는 구동 가스 공급 제어밸브(176)의 원하는 세팅을 하도록 작용한다. 이러한 액체 레벨 감지 및 흐름율 세팅 동작은 플레넘(124)에 공급된 구동 가스(178)의 흐름율/양 이 플레넘(124)으로부터 제거된 구동 가스(178)의 양과의 평형에 부응하는 지점까지 계속된다. 상기 구동 가스(124)는 각각의 HPC 버킷 영역(109)내의 플레넘(124)을 떠남으로써, 플레넘(124)내의 구동 액체(111) 레벨을 세팅한다. HPC 제어시스템의 종래의 가스 제어 서브시스템은 산업용 취입성형 설비의 공압 분배 및 제어시스템과 같은 플레넘(124)의 구동 액체 레벨을 관리할 수 있다.

구동 가스 플레넘(124)은 HPC의 단부판(114)의 내부 엣지의 내부/사이에 배치되며, 플레넘-HPC 베인 밀봉부(172)는 구동 가스(178)를 플레넘(124) 및 노출된 HPC 버킷 영역(109)내에 유지하도록 작동된다. 이러한 디자인은 개구에 의해 플레넘(124)의 상부에 형성된 바와 같이 이들 베인이 플레넘의 구동 가스 공급 영역의 내외로 천이될 때, 노출된 베인(110)에 인접한 HPC 베인(110) 주위로 구동 가스(178)가 누설되는 것을 방지한다. 밀봉부(172)는 플레넘(124)의 각각의 단부상에서 밀봉 덧대임판(174)에 의해 지지되고, 덧대임판은 밀봉 덧대임판 지지체(175)에 의해 강화될 수 있다. 플레넘을 HPC 인터페이스에 밀봉하는 다른 수단도 가능하다.

HPC(102)가 회전할 때, 구동 가스(178)는 HPC(102)의 회전을 작동시키기 위한 부양력을 제공하는 HPC 버킷 영역(109)내에 존재한다. 구동 가스충전된 HPC 버킷(109)이 HPC(102)의 구동측을 따라 상승할 때, 각각의 버킷 영역(109)의 구동 가스충전된 영역은 수평 레벨에 관해 HPC의 베인(110)의 특징에 기초하여 비례적으로 감소된다. HPC 버킷 영역(109)내의 구동 가스(178)는 HPC 베인의 말단(외측) 엣지가 전체 HPC(102)의 회전에 의해 유발된 수평 위치로 접근할 때 버킷으로부터 '범람' 한다. 기본적으로, 베인(110)은 수평에 대해 회전하며, 구동 가스는 베인(110)의 외측 엣지가 회전할 때 구동 액체(178)로 대체된다. HPC 버킷 영역(109)은 버킷이 HPC의 회전에 의해 유발된 가장 높은 위치에 접근할 때 그 잠긴 소비된 구동 가스(178) 콘텐츠를 계속 '범람' 한다. HPC 버킷(109)의 말단 엣지가 HPC의 회전시 "제로 각도" 에 도달할 때까지, 거의 모든 구동 가스(178)가 버킷으로부터 범람할 것이며, 중력의 부양 효과에 기초하여 상당히 무거운 구동 액체(111)로 대체된다. 예를 들어, 공기와 같은 가스는 입방피트당 0.08 lbs 의 무게를 가지며, 물과 같은 무거운 액체는 입방피트당 62.4 lbs 의 무게를 갖는다. HPC에 사용될 수 있는 사용가능한 구동 가스 및 구동 액체의 많은 조합이 있다. 최적으로, 구동 액체는 로우 드래그 제공 점도를 갖는 가능한 한 조밀할 것이며(체적당 중량), 가스는 2개의 기질 사이의 밀도 차이가 작업을 실행하는데 사용할 수 있는 측정의 체적 단위당 부양력의 양을 한정하기 때문에 가능한 한 가벼울 것이다.

HPC(102)가 계속 회전함에 따라, 구동 액체충전된 HPC 버킷 영역(109)은 가장 높은 위치를 지나며, 그후 HPC(102)의 비 구동측 아래로 회전한다. 이들 구동 액체충전된 HPC 버킷 영역(109)은 HPC 회전에 의해 계속 운반되며, 그후 구동 가스 플레넘(124)내로 유입되어 처음부터 다시 구동 가스(178) 충전 처리를 시작한다. 일단 전체 HPC 작동가능한 처리가 시작되면, 충전 및 비움 처리는 지속되며, 구동 가스(178) 공급이 정지되거나 처리를 기반으로 하는 구동축(104)상의 기계적 저항이 HPC의 회전 에너지에 대항하거나 이를 초과하지 않는 한 정지되지 않을 것이다. 필요한 경우, 프라임 파워 발생 작동과 같이 다수의 압축기 디자인은 사실상 무한 작동을 허용하며, 다른 압축기들이 필요로 하는 압축된 구동 가스 공급을 계속할 동안 논리적으로 그 어떤 압축기 디자인이라도 유지보수 또는 교환을 위해 오프라인을 취할 수 있다. 도7에 도시된 바와 같이 인라인 가스 체크밸브(141a, 141b)는 유지보수하의 압축 설비로부터 구동 가스 압력손실을 방지함으로써 압축기 유지보수 또는 교환을 허용한다.

일단 HPC(102)가 그 최적의 작동 속도에 도달하면, 전체 처리는 동일한 구동 가스(178)를 재사용함으로써, 가스 여과 설비에 대한 필요성을 제거하고, 구동 액체(111)와 압축기(138)와 인라인 일방향 체크밸브(141)와 단열된 구동 가스 공급라인(116)과 구동 가스 복귀라인(132)을 외부 부스러기 및 오염물로부터 자유롭게 한다.

HPC 설계의 다른 특징들은 저마찰 HPC 지지 베어링(130) 및 낮은 유지보수 액체기밀 탱크 밀봉/충전 박스(122)를 포함한다. 액체 온도는 압축된 구동 가스(178)의 온도 제어와, 도8에 도시된 바와 같이 탱크(134) 및 액체 냉각 풀(154)(필요할 때)을 통한 가열된 압축기 냉각제의 순환을 통해 유지된다. 압축의 기체 가열은 압축 작동중 만져보니 뜨거운 가스 압축기 출구 압력 라인에 의해 도시된 바와 같이 구동 가스(178)의 열 에너지가 압축중 작은 영역에 집중되는 열 질량(thermal mass)을 집중시킨다. 구동 가스(178)가 압축되지 않도록 허용될 때 가스에 보유된 열이 체적에 의해 팽창됨으로써 이런 팽창 라인이 만져보니 차갑게 느껴지는 그 반대인 경우도 진실하다. 구동 가스 플레넘(124)내의 팽창하는 구동 가스(178)는 상대적으로 차가우며, 구동 가스 팽창중 구동 가스 분배 이퀄라이저 챔버(177)와 플레넘(124)과 깊이를 기반으로 하는 탱크의 바닥의 고압으로부터 깊이를 기반으로 하는 탱크 상부의 저압으로의 회전을 기반으로 하는 HPC의 천이에서 구동 가스 팽창중 지속적으로 열을 흡수함으로써 구동 액체(111)를 차갑게 할 수 있다. 가스의 팽창 중 제공된 열 에너지는 국부적인 환경으로부터, 즉 주변의 구동 액체(111)로부터 온다. 적절히 디자인되지 않았다면, 구동 액체(111)는 응결/동결의 지점까지의 가스 팽창 작동에 의해 연속적으로 차가워질 수 있다. 이런 가스 팽창 차가움/냉각 동작은 대형 여객기 공기조화 시스템 디자인의 근거가 된다. 체크하지 않으면, 이러한 냉각 효과는 만일 전체 HPC 작동의 열 에너지 콘텐트(content)가 손상되지 않을 경우 HPC 에너지 추출을 느리게 하거나 정지시킬 수 있다.

도8에 도시된 바와 같이, 열관리는 팽창중 동일한 양의 열이 구동 가스(178)에 사용되어 탱크의 구동 액체(111)가 연속적인 HPC 작동에 의해 동결 레벨까지 "차갑지(chilled)" 않도록 구동 가스(178)를 압축하고 압축열을 보유함으로써 시작된다. 압축된 구동 가스(178)는 차후의 구동 가스 팽창을 위해 가능한 한 많은 압축 열을 유지하는 단열된 구동 가스 공급라인(116)에 유입될 수 있다. 압축 처리로부터의 일부 열은 단열된 구동 가스 공급라인(116)을 통한 전달중 구동 가스(178)로부터의 열 손실을 결정하는데 사용될 수 있다. 연속적으로 작동하는 압축기(들)(138)는 효율을 유지하고 압축기내의 마찰 동작에 의해 유발되는 증가된 온도로부터 작동 마모를 감소시키기 위해 일반적으로 액체 냉각을 필요로 한다. 일부 가스 압축 디자인은 압축기(들)(138)를 구동하는 전기구동식 압축기 구동 모터(들)(140)로부터 열을 포착할 수도 있다. 설계된 액체 냉각제 재킷(jacket)(도시않음)으로 모터(들)를 냉각하는 것은 그 유효 수명을 연장시키고 압축기를 작동시키는데 필요한 전기 부하를 감소시킬 수 있다.

도8에 도시된 바와 같이 액체 냉각제 회로는 HPC 액체 출구라인(146a), 2방향의 제1액체 흐름 밸브(144a), 액체 출구라인(146b), 액체 흐름 펌프(142a), 2방향의 제2액체 흐름 밸브(144b)를 통과시킴으로써 따뜻한 탱크 구동 액체(111)가 탱크의 상부로부터 배출되는 탱크(134)로부터 시작되어 액체 냉각 풀(154)에 이른다. '냉각된' 액체는 액체 냉각 풀(154)로부터 2방향의 제3액체 흐름 밸브(144c)와 압축기 액체 입구라인(150a)과 압축기의 액체 흐름 펌프(142b)와 압축기 액체 입구라인(150b)을 통해 또한 압축기(138)의 액체 냉각제 시스템(도시않음)을 통해 액체 냉각 풀(154)로부터 유입된다. 가열된 구동 액체(111)는 압축기의 작동에 의해 밝게 가열된 후 압축기(138)의 냉각제 시스템을 빠져 나와, HPC 액체 입구라인(148a)과 2방향의 다른 액체 흐름밸브(144d)와 HPC 액체 입구라인(148b)을 통해 다시 탱크(134)로 복귀된다. 2방향의 액체 흐름 밸브(144a 및 144e) 사이에서, 작동시 탱크(134)를 바이패스하여 액체 냉각 풀(154)로 복귀하도록 구동 액체를 압축기(138)로부터 구동 액체를 지향시키는 액체 바이패스 라인(152)을 갖는 바이패스 회로가 탱크(134)의 외측에 배치된다.

탱크(134) 내의 구동 액체(111) 온도가 설계 온도 이상이면, 탱크 바이패스 시스템은 작동된다. 이것은 액체 바이패스 라인(152) 및 액체 흐름 펌프(142b)를 통해 구동 액체(178)를 지향시키기 위해 2방향의 액체 흐름 밸브(144a, 144e)의 세트를 작동시킴으로써, 구동 액체(178)는 압축기(들)(138)로부터 액체 바이패스 라인(152)을 통해 액체 냉각 풀(154)로 흐를 수 있다. 만일 탱크(134)의 구동 액체(111)가 설계 온도 보다 차갑다면, 가열된 구동 액체(178)가 흘러 탱크(134)에 유입되도록 액체 냉각 풀 바이패스 회로가 동작된다. 가열된 구동 액체(178)의 탱크(134)내로의 흐름은 2방향 액체 흐름 밸브(144b/144c)의 세트 및 액체 흐름 펌프(142a 및 142b)가 작동되고 압축 처리로부터의 열을 픽업하기 위해 냉각 액체가 액체 냉각 풀(154)을 바이패스하여 압축기(138)로 직접 이송될 때 발생된다. 자동화된 HPC 온도 제어 서브시스템은 석유화학 증류 플랜트 및 산업용 음식물 포장 플랜트에 사용되는 것와 같은 열 제어 회로를 갖는 종래의 그 어떤 제어 서브시스템일 수도 있다. HPC 제어시스템의 부품으로서, 온도 제어 서브시스템은 온도 제어 동작을 자율적으로 실행할 수 있다. 일 실시예에서, 만일 구동 액체(111)로서 물이 사용된다면, 탱크(134)의 온도는 물의 최대 밀도에 가까운 약 38 내지 40℉ 사이로 유지될 수 있음으로써, 전체 처리에 사용할 수 있는 부양력을 극대화한다. 브롬, 수은, 또는 물, 염화물, 구연산, 이황화탄소, 에틸렌 브롬화물, 에틸렌 글리콜 등과 같은 화합된 액체와 같은 그 어떤 액체 또는 상이한 액체의 조합이 구동 액체로서 사용될 수도 있다. 다른 특수한 액체를 구동 액체로서 사용하는 것은 작동을 위해 상이한 최적 온도를 가질 수 있다. 또한, 수소, 헬륨, 공기, 천연가스, 이산화탄소 등과 같은 그 어떤 가스 또는 상이한 가스의 조합이 구동 가스로서 사용될 수도 있다.

도9에 도시된 바와 같은 전력 발생을 위해, HPC(102)는 어떤 원하는 목적을 위해 회전 에너지/파워를 제공하도록 탱크(134)의 측부로부터 돌출되는 외측 구동축(107)을 회전가능하게 작동시킨다. 전기 에너지 프라임 파워 어플리케이션을 위해, 축(107)은 오동작이 클러치(156)의 양측상의 처리를 정지시킬 경우 HPC(102) 및 특수한 어플리케이션 작동 기어를 손상으로부터 보호하기 위해 오버드라이브(overdrive)/오버-프레셔(over-pressure) 클러치로서 작용하는 HPC 구동축 파워 방출부(156)에 연결된다. 파워 축(157)은 회전 속도의 증가를 위해 HPC에 의해 발생된 토오크의 일부를 교환하는 셋-업 기어박스(158)에 회전력을 전달한다. 셋-업 기어박스(158)의 원하는 기어 비율은 특수한 파워 입력 요구사항에 따른다. 기어박스(158)의 출력은 특수한 교류발전기/발전기(160)의 요구사항에 부합될 수 있다. 중간 파워 축(159)은 전력을 생성하기 위해 셋-업 기어박스(158)로부터의 회전력을 교류발전기 또는 발전기(160)에 전달한다. 전력은 전기 출력 제어시스템(164)에 연결되는 교류발전기/발전기 파워 출력 라인(180)에 의해 교류발전기 또는 발전기(160)로부터 송출된다. 전기 출력 제어시스템(164)은 압축기 구동 모터(들)(140)과 HPC 펌프 및 펌프 시스템의 작동이나 나머지 전력을 전기 출력 라인(162)상의 외부 파워 출력 분배 시스템에 제공하는 것처럼 필요한 부품들 사이로 전기 출력 파워를 분할할 수 있다. 자체구동형 디자인에서, 일단 시스템이 충분한 전력을 생산하면, 전기 출력 제어시스템(164)은 압축기 구동 모터(들)(140)로의 모든 외부 파워를 차단하고, 압축기(들)에 교류발전기/발전기(160)로부터의 파워를 공급한다. 만일 발전기(160)가 사용되면, 발전기(160)에 의해 생산된 직류는 전기 출력 제어시스템(164)에 의해 교류로 전환될 수 있다. 이런 전환된 파워는 압축기 구동 모터(140)에 분배될 수 있으며, 나머지 전력은 외부 사용을 위해 전달된다.

도24는 뱅크(374)가 다수의 HPC(102)를 포함하는 기저부하 프라임 파워를 제공하는 HPC의 예시적인 일 실시예를 도시하고 있다. 전력을 HPC 플랜트의 파워 하우스(372) 및 HPC 플랜트 고장력 전기 공급기 라인(380)에 제공하는 개별적인 HPC(102)에 연결되는 발전기(376)가 도시되어 있다. HPC의 뱅크(374)에 인접한 HPC 플랜트 압축 하우스(378)는 HPC 작동을 위해 구동 가스(178)를 제공할 수 있다. 또한, 전체 HPC 플랜트 복합물(complex)이 관리되고 논리적으로 지지되고 관리되는 HPC 플랜트 제어 하우스(370)가 도시되어 있다.

도23에는 이 실시예의 다른 디자인이 도시되어 있다. 특별히 설계된 "캐스케이드(cascade)" HPC(354)는 다수의 HPC(354)를 통해 한번 통과로 구동 가스의 재사용을 허용한다. 구동 가스(178)는 하부의 HPC의 플레넘(들)(124)에 도입된다. 구동 가스(178)가 HPC(354)의 가장 낮은 레벨을 작동시킬 때, 구동 가스는 그 레벨의 상부로부터 나와서 구동 가스 차아지 분할기 판(356)의 사용에 의해 재수집된다. 분할기 판(356)은 HPC(354)의 바닥 열(row) 위에서 다음 열(row)(예를 들어 제2열)의 구동 가스 플레넘(124) 및 HPC(354)를 통과하도록 소비된 구동 가스(178)를 축적하는 중간 가스 차아지 전환 플레넘(358)과 균등한 가스 차아지를 나타내기 위해 각각의 측부에 적절한 양의 구동 가스를 수집하도록 배치된다. 만일 바닥 열(row)의 2개의 HPC(354)가 소비된/소모된 구동 가스(178)를 제2열(row)의 3개의 HPC에 공급하면, 각각의 바닥 열의 HPC 구동 가스(178)의 2/3 는 각각의 연속적인 열의 플레넘(124)에 할당될 수 있다. 탱크(134)의 구동 가스(178)의 상승(도23에는 도시되지 않음)은 구동 가스(178)상에 깊이를 기반으로 하는 감소된 압력을 가져오며, 따라서 이런 구동 가스(178)가 탱크에서 상승시 팽창되게 한다. 팽창된 구동 가스(178)는 동일한 구동 가스 차아지로 하여금 각각의 연속적인 열에서 추가적인 HPC(354)를 작동하게 한다. 구동 가스 차아지 분할기 판(356)은 그에 따라 구동 가스를 배분하도록 배치될 수 있다. 상부 열에서 4개의 연속적인 HPC(354)를 공급하는 3개의 HPC(354)의 제2열에서, 외측의 제2열 HPC는 상부 열의 외측 HPC(354)에 그 구동 가스의 3/4 을 제공하고 동일한 상부 열의 내측 HPC에는 그 가스의 1/4 만 제공하도록 그 분할기 판을 배분할 수 있다. 제2열의 중간 HPC(354)는 그 소모된 가스의 절반을 상부 열의 2개의 내측 HPC에 배분하도록 세팅된 그 분할기 판을 가질 수 있다. 이런 실시예에서, 상부 열의 모든 HPC(354)는 중간 열 또는 제2열에서 각각의 HPC(354)의 가스 차아지의 3/4 을 수용할 수 있다. 깊이의 감소에 의해 유발된 구동 가스(178)의 압력의 감소는 구동 가스(178)의 팽창을 허용하며, HPC의 각각의 상부 열은 구동 가스(178)를 변위시키는 구동 액체(111)를 이전의 HPC 열처럼 많이 체적으로 수용할 것이다. 선택적으로, 도시되지 않은 실시예는 HPC의 각각의 레벨 사이에 단단히 부착된 거꾸로 뒤집힌 팬 형상의 단일의 대형 구동 가스 수집기를 사용할 수도 있다. 낮은 레벨을 떠나는 구동 가스(178)는 추가적인 가스가 축적되어 보유될 때 가스충전된 헤드 공간이 형성되는 평탄한 지붕형의 가스 수집기에 수집될 수도 있다. '헤드 공간'의 상부의 가스 수집기의 내측 상부면은 구동 가스가 가스 수집기를 횡단하여 균일한 깊이로 수집될 수 있도록 수평면의 레벨일 수도 있다. 역전된 팬 가스 수집기의 구동 가스 헤드 공간 때문에 각각의 플레넘(124)이 균등한 가스 차아지를 수용하는 플레넘(124)은 상기 '팬 형상(pan-shaped)' 의 가스 수집기의 상부면에 연결된다. 구동 가스는 주어진 열의 각각의 플레넘이 그 각각의 HPC의 작동을 위해 동일한 양의 가스를 수용하는 플레넘 가스 제어밸브에 연결된 개구를 통해 팬을 떠날 수 있다.

예시적인 제2실시예: HPC를 기반으로 하는 군함 파워 어플리케이션

제2실시예, 즉 군함 파워 어플리케션에 있어서, 전체 HPC 및 그 서브시스템은 도10에 도시된 바와 같이 보트/선박 선체내에 수용될 수 있다. 상술한 많은 HPC 작동은 이 실시예를 위해 동일하므로, 따라서 반복되지 않을 것이다. 해상운송 HPC를 작동시키기 위해 여러가지 디자인 수용이 이루어질 수 있다. 구동 액체(111)의 군함 HPC의 열관리는 물(182)을 물 흡입 포트(186)를 통해 물 흡입 펌프(188)를 거쳐 선박의 외부로 펌핑함으로써 달성된다. 또한, 압축기 액체 입구라인(150) 및 압축기의 액체 냉각제 시스템을 통해 동일한 물이 펌핑된다. 구동 액체(111)는 HPC 액체 입구라인(148)을 통해 압축기(138)를 빠져 나와, HPC 액체 바이패스 시스템으로 흐른다. 상기 바이패스 시스템은 탱크(190)내의 구동 액체(111)의 온도를 상승시키기 위해 구동 액체(111)를 밀봉된 HPC 탱크 시스템(190)으로 지향시키거나 또는 구동 액체(111)를 탱크 바이패스 퍼지(purge) 라인으로 지향시키는 2방향 액체 흐름 밸브(144)로 구성된다. 상기 퍼지 라인은 탱크(190)를 우회시키며, 그 흐름을 해수 출구 포트(197)에 직접 연결할 수도 있다. 선박에 관하여 탱크(190)의 고물 단부는 탱크를 기반으로 하는 액체가 물 출구 포트(197)를 통해 장외로 버려지도록 개방되는 탱크(190)의 바닥의 물 시스템 출구 밸브(196) 고물을 갖는다. 외측 구동축(107)이 교류발전기/발전기(160)에 연결되는 직접구동 장치를 갖는 군함 HPC 시스템의 파워 발생 시스템은 그렇지 않을 경우 상술한 프라임 파워 발생 디자인과 유사하게 작동된다. 군함 해상운송 어플리케이션에 있어서, 일부 전력은 프로펠러 축(들)(195) 및 선박의 프로펠러(들)(194)를 회전시키는 선박 구동 모터(들)(192)에 인가될 수 있다. 또한, 전기 에너지의 일부는 압축기 구동 모터(들)(140)를 작동하는데 사용될 수 있으며, 나머지 전기 에너지는 필요에 따라 선박의 다른 시스템들로 분산될 수 있다. 군함 HPC 시스템은 특수한 디자인 요구사항에 따라 단일의 또는 다수의 선박 구동 모터/추진 디자인과 마찬가지로 단일의 또는 다수의 압축기 디자인을 사용할 수 있는 단일의 또는 다수의 HPC 시스템을 수용할 수 있다.

예시적인 제3실시예: 직접 주입 가스구동식 HPC

도18에 도시된 바와 같이, HPC(102)는 HPC(102)가 회전하고 밸브 본체가 정지된 회전 밸브 장치에 의해 가스 차아지될 수 있다. 이 실시예에서, HPC(102)는 HPC 구동축(104)의 중앙에 놓여 그 각각의 단부판(114)에 삽입되는 회전 밸브 본체(226)를 가질 수 있다. 회전 밸브 본체(226)는 그들이 HPC(102)의 바닥 위치를 통해 회전할 때 버킷 영역내로 가스의 직접 주입을 제공한다. 작동중, 직접 주입 가스구동식 HPC(102)는 단열된 구동 가스 공급라인(116)을 통해 정지형 회전 밸브 본체(226)로 운반된 구동 가스(178)를 갖는다. 구동 가스(178)는 회전 밸브 가스 통로(228)를 통해 계속되어 회전 밸브 가스 방출 오리피스(230)에 유입된다. HPC 버킷 영역(109)이 그 회전의 가장 낮은 지점을 통해 천이되어 상기 오리피스(230)를 통과할 때, 구동 가스(178)는 버킷 영역(109)의 코어 지지체 실린더 단부에 유입된다. 이 실시예에서, 코어 지지체 실린더는 각각의 오리피스가 버킷 영역(109)의 각각의 단부에 대응하는 각각의 버킷의 '플로어(floor)' 로부터 절단된 코어 실린더 지지 가스 오리피스(도시않음)를 갖는다. 각각의 버킷 영역(109)은 버킷 영역의 '플로어'의 각각의 말단부에 형성된 2개의 오리피스를 갖는다. 이들 오리피스가 회전 밸브 가스 방출 오리피스(230)와 중첩되기 시작할 때, 가스는 특수한 버킷 영역(109)으로 전달된다. 각각의 버킷 영역(109)을 위한 가스 차아지는 구동 가스(178)의 압력과, 회전 밸브 가스 방출 오리피스(230)의 크기와, HPC 코어 지지체(108)의 오리피스의 크기와, HPC가 회전 속도에 의해 결정된다. HPC의 디자인과 최종 용도는 오리피스의 특수한 공학적 디자인 측정이 설정될 때 부합될 것이다. 외측 배플(236)은 상기 단일의 배플 또는 다수의 배플(236)의 세트가 직접 주입 디자인의 펌프 제트 동작에 부스트(boost)가 제공될 경우 직접 가스 주입에 의해 버킷 영역(109)으로부터 가압되는 구동 액체(178)에 액체 배압을 제공하도록 추가될 수 있는 배플-탱크 지지체(238)에 의해 정지상태로 지지될 수 있다.

선택적으로, HPC 코어 지지체(108)는 회전 밸브 본체(226)의 내측 기단부가 코어 지지체(108)의 말단부와 접촉하는 단부캡(114)과 만나지 않도록 설계될 수도 있다. 실시예에 대한 이런 대안에 있어서, 회전 밸브 본체(226)의 기단부는 대형 회전 밸브 본체(226)에 중실의(solid) 내부 지지체를 제공하도록 마무리된다. 이 대안은 내부 구조물(도시않음)에 의해 HPC 코어 지지체(108)에 강하게 연결되는 구동축(104)을 위해 준비되었다. 상기 구동축(104)은 외측 구동축(107)과 최종 용도에 의해 특정한 바와 같은 다른 장치와 연결되도록 회전 밸브 본체(226)의 중앙을 통해 완전히 연장된다. 두번째 대안은 회전 밸브 본체(226)가 엄격한 공차 방식으로 코어 지지체(108)의 내측으로 미끄러지는 단부판(114)의 내측 엣지에 HPC 코어 지지체를 부착하는 것이다. 구동축(104)은 내부 구조물에 의해 코어 지지체에 다시 강하게 연결되며, 코어 지지체 부착물로부터 회전 밸브 본체(226)를 통해 연장된다. 상당량의 구동 가스(178)가 회전 밸브 본체의 외측면과 노출된 HPC 코어 지지체의 내측면 사이에 쿠션으로 작동하도록 상기 회전 밸브 본체의 외측면과 노출된 HPC 코어 지지체의 내측면 사이의 좁은 영역으로 지향될 수 있다. 이런 디자인은 회전 밸브 본체(226)로 하여금 HPC 축 베어링(120)에 대한 필요성을 제거하는 대형 에어 베어링으로 작용하게 한다. 이 실시예의 그 어떤 대안에 있어서, 내부로부터 버킷 영역(109)의 직접 충전은 HPC의 전체 파워 출력에 제트 펌프형 부스트를 제공할 수 있다. 직접 주입 충전 동작이 작동가능한 사용중 각각의 버킷 영역(109)에서 발생하기 때문에, 상기 부스트는 연속적이며 HPC의 부양을 기반으로 하는 파워 출력에 추가된다.

예시적인 제4실시예: 천연가스 구동식 HPC 작동

다른 실시예에서, 천연가스 구동식 HPC는 도20에 도시된 제1실시예와 유사하게 구성된다. HPC(102)는 압축된 구동 가스 소스로서 천연가스를 사용한다. 산업화된 국가에서, 천연가스는 파이프라인을 통해 최대 1200 psi 의 고압으로 공급 소스로부터 최종 소비자에게 전달된다. 천연가스 구동식 HPC 시스템은 최종 소비자 근처에 배치되며, 가스 압력은 산업용과 거주용 난방 및 온수 등에 사용하기 위해 운반 압력으로부터 제어된 압력으로 감압된다.

이 실시예는 천연가스를 천연가스 입구 압력 조절기(252)로 가져오는 천연 가스 고압 입구 라인(250)을 통해 HPC 시스템에 도입되는 고압 천연가스에 의해 작동된다. 입구 압력 조절기(252)를 통과한 후, 천연가스는 천연가스가 단열된 구동 가스 공급라인(116)으로 이동하는 조절된 천연가스 입구라인(254)을 통해 탱크(1134)로 흐른다. 탱크(134)는 탱크에 단단히 연결되는 강화된 탱크 커버(256)를 갖는다. 도20에 있어서, 탱크 커버(256)는 강화된 탱크 커버 누름쇠 볼트(258)의 사용에 의해 연결된다. 강화된 탱크 커버(256)는 무겁고 엄청난 중량과, 탱크 커버 래칭 시스템과, 간섭 수단과, 강한 랩(wrap)/타이(tie)/케이블, 또는 이들의 조합과 같은 다른 수단에 의해 제 위치에 강하게 연결될 수 있다.

일단 천연가스가 탱크(134)내에서 구동 액체(111)의 상부면을 떠나면, 천연가스는 천연가스 HPC 출구라인(260)을 통해 탱크/탱크 커버로부터 흐른다. 그후, 천연가스는 분리된 구동 액체(111)가 천연가스로부터 분리되고 구동 액체 복귀 펌프(310)가 그 회수된 구동 액체를 구동 액체 응축물 복귀라인(292)을 통해 전송하는 분리기로부터 배출되어 다시 탱크(134)로 퇴적되는 천연가스/구동 액체 증기 분리기(262)의 단일 세트 또는 다수 세트로 이동한다. '정화된' 청정한 천연가스는 분리기 천연가스 출구라인(266)을 통해 분리기(262)를 떠나서 분리기 이후의 천연가스 압력 조절기(268)에 유입되며, 천연가스 압력은 HPC 이후의 천연가스 출구 서비스 라인(270)을 통해 최종 소비자 사용을 위해 준비된 처리 종료 압력으로 강하된다.

다른 실시예는 분리기 천연가스 출구라인(266)을 통해 분리기(262)를 떠나서 천연가스 재압축 스테이션(도시않음)에 유입되는 가스를 가질 수도 있다. HPC 이후의 시스템 재압축된 천연가스는 다른 가스 분배 시스템을 따라 재분배될 수 있다. 이것은 고압 가스 분배라인을 따라 그 어디에서도 무한정의 전기 에너지 발생을 허용할 수 있다. 두 실시예중 어느 실시예는 상당한 거리로 떨어져 있는 천연가스 구동식 HPC 작동을 제어하기 위해 종래의 자동화된 감독 제어 및 데이터 획득(SCADA) 시스템을 포함할 수 있다. 이미 서술한 실시예와 마찬가지로, 석유화학 가스 분배 산업에 자동화된 제어시스템이 사용된다.

예시적인 제5실시예: 열 이원(두 종류) 가스구동식 HPC 작동

다른 실시예에서, HPC 시스템은 "이원 시스템(binary system)" 의 사용에 의한 열 소스에 의해 구동될 수 있다. 본 기술분야의 숙련자라면 도21에 도시된 많은 부품들의 기능을 이해할 것이다. 지열/석탄/액체 화석 연료/천연가스/핵처리로부터의 열 소스는 2개의 위치에서 열 이원 구동 HPC 시스템에 유입된다. 첫번째로, 열 소스는 제어밸브(278)에 의해 제어되어 열 소스 입력라인(282)을 통해 열을 제공하며, 이원 시스템 증발기(286)에 유입된다. 그후, 열은 이소부탄 또는 펜탄처럼 비등점이 낮은 이원 구동 액체를 이원 구동 가스로 증발시킨다. 소비된 열 소스 물질은 열 소스 복귀라인(284)을 통해 열 소스 처리로 복귀될 수 있다.

상술한 증발된 이원 구동 가스는 증발 처리로부터의 상당한 압력하에서 이원 구동 가스 입력라인(280)을 따라 제어밸브(278)를 통해 흐르고, HPC를 부양가능하게 구동하기 위해 일방향 체크밸브(274a)를 통해 탱크(134) 내로 흐른다. 체크밸브와 다수의 제어밸브 등과 같은 안전 예방책의 사용은 공급라인과 펌프 및 다른 밸브와 같은 주 안전 시스템이 작동될 수 없다면 쓸모없는 방법으로 작용한다.

열원의 두번째의 사용은 탱크(134) 내의 구동 액체를 이원 구동 가스의 비등점 위의 온도로 가져오는 것이다. 증발 처리로부터의 이원 구동 가스의 압력과 탱크(134) 내의 HPC의 깊이는 이원 구동 가스의 비등점을 증가시키도록 작동된다. 구동 액체의 온도를 상기 압력부족 이원 구동 가스 비등점 위로 증가시키지 않으면, 이원 가스는 HPC의 내부에서 응축되고, 그에 따라 기계적 회전력 변환을 위해 더 많은 부양력을 제공하지 않는다. 열 소스는 탱크 히터 회로(276) 및 그 관련된 제어밸브(278)에 의해 도시된 바와 같이 분리된 폐쇄 루프 시스템을 통해 열을 공급한다. 탱크 가열은 잠재적으로 온수 가열기상의 아주 흔한 열전쌍 제어회로처럼 간단한 종래의 제어 회로에 의해 자동으로 제어될 수 있다.

일단 탱크(134)의 내부에서 HPC는 상술한 실시예처럼 작동될 수 있다. 소비된 이원 구동 가스는 강화된 탱크 커버(256) 아래에서 탱크내의 구동 액체를 빠져 나와 이원 구동 가스 HPC 출구라인(302)에 유입된다. 상기 라인(302)은 이원 구동 가스를 이원 구동 가스/구동 액체 증류 분리기 시스템(300)으로 운반한다. 분리기 시스템은 석유화학 및 음식물 처리 산업에서 자주 사용된다. 도21에는 이원 구동 가스로부터 구동 액체(111)를 제거하는 처리가 도시되어 있다. 구동 액체는 구동 액체 복귀 펌프(310)에 의해 배출되며, 이어서 구동 액체 응축물 복귀라인(292)을 통해 탱크(134)로 복귀된다.

이원 구동 가스는 제어밸브(278)에 의해 조절된 상태로 이원 구동 가스 응축기 입력라인(298)을 통해 분리기 처리를 떠나 이원 시스템 응축기(290)에 유입된다. 일단 응축기내에서 이원 구동 가스는 이원 액체 응축물(296)로 응축된다. 응축 동작은 분리기 시스템(300)의 증발을 돕는 응축기를 공급하는 이원 가스 라인에 흡입을 적용한다. 저압은 이원 액체에 관해 구동 액체처럼 비등점이 높은 액체의 응축을 돕는다. 응축기(290)에 유입되는 이원 가스 스트림에 남아있는 구동 액체의 추적량은 응축되어 응축기(290)의 바닥으로 떨어질 것이며, 구동 액체 복귀 펌프(310)에 의해 구동 액체 응축물 복귀라인(292)으로 배출된 후 탱크(134)로 복귀된다. 응축기 냉각제 회로는 응축기 냉각제 입력라인(314)이 응축기 냉각제 펌프(316)에 의해 제어된 풀로부터 냉각제를 배출하는 냉각 풀(154)과 같은 냉각제 소스에서 시작된다. 냉각제는 응축 가스로부터 열을 흡수할 동안 응축기의 폐쇄된 냉각제 회로를 통과하고, 응축기(290)를 떠나고, 응축기 냉각제 복귀라인(318)을 통해 냉각 풀(154)로 복귀한다. 선택적으로, 이 실시예는 냉각제의 열 에너지를 분산하기 위해 냉각탑 및/또는 증발 쿨러/칠러와 같은 다른 수단을 사용할 수도 있다.

이원 가스는 이원 액체 펌프(288)에 의해 펌핑될 때 이원 액체 라인(306)을 통해 응축기(290)를 떠나고, 그후 폐쇄된 루프 이원 시스템에 재사용하기 위해 이원 액체 저장탱크(297)에 퇴적된다. 저장탱크(297)는 이원 액체를 이원 액체 펌프(288)에 제공하며, 상기 이원 액체 펌프는 이원 시스템 사이클을 지속적으로 작동시키기 위해 적절히 제어된 양의 이원 액체를 증발기에 펌핑한다.

이 실시예 또한 탱크(134) 및 강화된 탱크 커버(256)를 위해 과압 릴리프를 제공하는 탱크 과압 릴리프 밸브(304)를 특징으로 한다. 탱크 과압 릴리프 밸브(304) 출구는 일시적인 저장을 위해 통기된 이원 가스를 이중 가스 압력 릴리프 탱크(299)로 지향시키는 이원 구동 가스 압력 릴리프 라인(303)에 연결된다. 압력 릴리프 탱크(299)내의 이원 가스의 복사 냉각 및 활성화된 압력 릴리프 저장 탱크(299)내의 상승한 가스 압력은 이원 가스의 응축을 유발할 수 있으며, 이것은 제어밸브(278)를 통해 다른 이원 액체 라인에 의해 탱크로부터 배출될 수 있으며, 이원 액체 저장 탱크(297)에 저장되거나 또는 재사용을 위해 이원 액체 펌프(288)에 의해 증발기(286)로 배출된다.

대안적으로, 이 실시예는 이원 액체 응축물(296) 및 구동 액체 응축물(294)의 연속적인 응축 및 분리를 허용하는 응축기 디자인에 의해 이원 가스/구동 체 분리기 시스템(300)을 완전히 제거할 수도 있다.

예시적인 제6실시예: 스팀구동식 HPC 작동

다른 예시적인 실시예에서, 스팀은 탱크(134)내의 HPC(102)를 구동하기 위해 상당한 압력으로 사용된다. 기본적으로, 지열/석탄/액체 화석 연료/천연가스/핵처리(그러나, 이들에 한정되지 않는다)와 같은 열 소스는 작동가능한 사용을 위해 스팀을 가열하여 HPC에 제공한다. 도22에 있어서, 스팀(320)은 스팀 입력라인(322)을 통해 유입되고 제어밸브(278)에 의해 관리된다. 그후, 스팀은 스팀 입력라인(322)의 연속부를 통해 탱크(134)로 계속 유입된다. 스팀은 구동 가스 공급라인(116)에 유입되어 HPC를 작동시킨다. 그러나, HPC의 내부에서 작동중 여러가지 중요한 처리가 발생된다. 고온 스팀이 HPC 버킷(109)을 충전할 때, 스팀의 일부는 물로 응축되어 탱크내의 구동 액체와 연결되고, 그 열 에너지를 주위 탱크 액체 및 HPC 구조물에 제공한다. 탱크 내부 환경의 온도가 상승함에 따라, 그 정력적인 가스 상태에서 오랜 기간 동안 스팀의 높은 백분율이 유지되어, HPC의 베인상에 부양력을 제공한다. 더욱 많은 스팀이 HPC의 버킷에 유입됨에 따라 HPC(102)가 회전을 시작하고, 더욱 많은 에너지를 탱크 환경에 제공한다. 온도에 있어서, 구동 액체 조성물 및 그 관련된 유효 비등점에 따라 HPC는 열 정체(stasis)를 달성할 것이고, 스팀은 다른 그 어떤 구동 가스로서 HPC를 효과적으로 작동시킬 것이다. HPC 스팀 정체 지점에서, 스팀은 버킷에 유입되어, 초기 압력이 스팀의 잠열을 물의 비등점 이상으로 유지하는 HPC를 작동시킬 것이다. 그러나, HPC가 회전하고 버킷(109)이 탱크(134)의 깊이로부터 상승함에 따라, 가스로서의 스팀은 외적으로 그다지 인가되지 않는 압력을 수용하고 체적이 팽창되기 시작할 것이다. 스팀의 체적이 팽창함에 따라, 스팀의 잠열도 유사하게 팽창되고 그에 따라 체적 면적당 전체 열은 모두 알려진 압력-체적-온도 법칙에 따라 감소된다. 또한, 스팀을 둘러싸는 HPC 구조물은 스팀의 나머지 열의 일부를 흡수한다. 정체 상태에서, HPC 버킷은 바닥에서 완전한 가스 차아지로 시작되고, 스팀 버킷이 상부 위치에 도달할 때까지 스팀은 탱크 깊이의 감소에 의한 열 전도도 및 팽창을 통해 그 열 에너지를 잃으며, 스팀은 물로 응축된다.

정체(stasis)를 유지하기 위하여, 탱크 환경은 정체 온도로 유지된다. 새로운 스팀의 일정한 도입은 시간이 지남에 따라 탱크의 내부 온도를 정체 이상으로 증가시켜 효과적인 스팀 작동에는 이상적이지 않으며, 추가적인 관리 노력에 대한 필요성을 강요한다. 정체를 유지하기 위하여, 탱크 온도는 냉각 풀(154)과 같은 냉각 소스의 사용을 통해 관리될 것이다. 대안적으로, 냉각탑, 증발 쿨러, 칠러 유니트와 같은 다른 냉각 시스템이 사용될 수도 있다. 고온의 구동 액체는 제어밸브(278)에 의해 관리되어 고온의 구동 액체 배출라인(330)을 통해 또한 액체 흐름 펌프(142)를 통해 탱크(134)의 상부로부터 배출된다. 펌프의 출구는 냉각 풀(154) 내로 해제된다. 차가운 액체가 구동 액체 복귀라인(312) 및 구동 액체 복귀 펌프(310)를 통해 냉각 풀로부터 배출되어 다시 탱크(134) 내에 퇴적된다.

대안적으로, 만일 개방된 냉각 풀내로 배출되지 못하거나 배출될 수 없는 구동 액체가 사용된다면, 폐쇄 회로 냉각 루프는 탱크로부터 고온의 구동 액체를 배출할 수 있으며, 적은 열 에너지로 탱크(134)로 복귀되는 폐쇄 회로 냉각 루프를 통해 펌핑될 수도 있다. 전 세계에서 도시의 대형 빌딩을 위한 열 탱크 환경 제어시 잠겨진 파이핑 냉각 시스템 및 냉각탑에 이런 디자인이 통상적으로 사용된다.

고온의 구동 액체의 표면 위에 남아있는 스팀 가스를 위해, 스팀 출구라인(324)은 HPC 이후의 사용된 나머지 스팀(326)을 배출하고 이를 스팀이 응축되는 나머지 스팀 응축 시스템(328)에 보낼 수 있다. 응축 이후의 시스템 물은 저장을 위해 스팀 응축물 배출라인(332)에 의해 냉각 풀에 제공되거나 또는 재사용을 위해 스팀 발생 소스로 복귀된다.

본 발명의 원리를 구체화한 예시적인 실시예가 서술되었지만, 본 발명은 서술된 실시예에 한정되지 않는다. 그 대신, 본 발명은 그 일반적인 원리를 사용하여 본 발명의 변형예, 사용, 또는 각색을 포함한다. 또한, 본 발명은 본 발명이 속하고 첨부의 청구범위의 한계내에 속하는 기술분야에서 공지의 또는 관습적인 실행내에 있는 본 발명의 서술로부터의 일탈을 포함한다.

이런 변형예들중 하나는 부분길이(partial-length)의 플레넘의 사용에 의해 HPC 버킷을 충전하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 부분길이의 플레넘은 가스가 플레넘으로부터 버킷 공간으로 직접 플레넘 위로 전달되는 여분의 플레넘 밀봉부로서 작용하는 연장된 외주의 중간 베인 지지체 사이에 배치되며, 가스는 그 버킷 공간을 따라 중간 베인 지지체 가스 통과 구멍을 통해 분산된다. 본체가 긴 단일의 HPC에는 하나 이상의 부분길이 플레넘이 사용된다. 다른 변형예는 HPC 아래에 배치된 가스 지향기(director)의 사용과, 축을 기반으로 하는 가스 주입과, HPC 통기 분기관(side-vent)/통로 가스 주입에 의해 HPC 버킷을 충전하는 것을 포함할 수도 있다. 다른 실시예는 버킷 형상 및 크기가 변하는 HPC를 형성할 수도 있다.

다른 실시예는 HPC 구동 가스를 공급하기 위해 다양한 압축기 형식 및 변위를 사용할 수도 있다. 가요성 수족관(sea tank)/블래더(bladder), 단단한-견고한-밀봉된 탱크 등과 같은 다양한 액체 탱크내에 HPC 유니트를 작동시킬 수도 있다. 대안적으로, 견고한 벽을 갖는 탱크없이 HPC 유니트를 강, 호수, 바다, 또는 대양 등과 같은 자연적인 잠수함 환경에서 작동시킬 수도 있다. 이런 대안은 베어링과 구동 가스 공급라인 및 플레넘 등과 같은 통상적으로 탱크내의 다른 부품을 보유하기 위해 바다로 열려진 곳/호수/대양 구조물을 사용할 수 있다. 이런 설비는 90-도 기어박스 및 수직 파워 전달축의 사용에 의해 기계적 에너지를 표면으로 전달하는 수단을 갖는다.

일부 실시예에서, HPC는 하나의 탱크로부터 다른 탱크로 순차적인 방식으로 가는 균등한 가스 차아지를 사용하여 순차적인 시퀀스로 압력 가능한 탱크에서 작동될 수 있다. 또한, HPC는 구동 가스가 바닥 HPC로 펌핑되고 바닥 HPC에 의해 사용된 후 탱크내에 수집되어 바닥 HPC위의 다른 HPC에 직접 적용되는 균등한 가스 차아지를 사용하여 역전된 캐스케이드 스택(stack)을 작동시킬 수 있다. 이 실시예는 바닥 HPC가 단일의 HPC 열 또는 이원의 HPC 열인 캐스케이드의 상부 스테이지상에 다수의 HPC를 가질 수 있으며, 다음 스테이지 또는 레벨은 재조합된 저압 팽창된 구동 가스에 의해 구동되는 다수의 HPC를 갖는다. 구동 가스가 탱크의 깊이로부터 상승할 때 구동 가스의 팽창에 의해 각각의 높은 스테이지상에 더 많은 갯수가 허용된다.

또한, HPC는 전력을 제공하기 위해 파워 스테이션에서 단독 유니트나 다수의 유니트로 작동될 수 있다. 단일의 HPC는 다양한 처리를 위한 높은 토오크를 제공하기 위해 자체적으로 작동될 수 있다.

대안적인 실시예에서는 HPC를 위한 구동 가스로서 상이한 가스 및/또는 가스들의 혼합물을 사용할 수도 있다. 또한, HPC를 위한 구동 액체로서 상이한 액체 및/또는 액체 혼합물이 사용될 수 있다.

HPC는 소형 파워 유니트로부터 다수의 메가와트 유니트까지 다양한 크기로 형성될 수 있다. HPC는 교류발전기(들) 및/또는 발전기(들)을 구동하는데 사용될 수 있다. 또한, HPC는 예를 들어 HPC 및 압축기를 위한 액체 온도를 제어하기 위해 냉각 풀 및 냉장과 같은 교차적인 온도 제어 기술도 사용할 수도 있다. 이것은 구동 액체로서 고온의 또는 용융된 기질이 사용될 경우 기본적인 사항이다.

HPC는 구동축 속도 강화 장치를 사용하지 않고 직접구동을 사용하여 발전기(들)와 높은 토오크 처리(들)를 작동시킬 수 있다. 산업용 장치 대 전기 교류발전기/발전기를 구동하기 위해, 군함에 구동 파워를 제공하기 위해, 군함 및/또는 군함 천공 플랫포옴을 위한 초기 전력을 제공하기 위해 및/또는 수력전기 댐 펌프 백(back) 또는 관개(irrigation)를 제공하기 위해 HPC를 사용할 수 있다.

다른 실시예에서, HPC 베인 및 단부판상의 마이크로 버블러 처리를 위한 마이크로 버블러 가스를 도입함으로써 구동 파워 발생 또는 다른 산업적 사용에 HPC 축의 양 단부를 사용할 수 있도록 교차적인 축 가스 도입 설계가 사용될 수 있다.

102: 유압-공압 실린더(HPC) 104: 구동축
106: 마이크로 버블러 108: 코어 지지체
110: 베인 114: 단부판
115: 슬롯 117: 구동 액체
118: 탱크 커버 120: 축 베어링
124: 플레넘 126: 푸터
134: 탱크 139: 복귀펌프
176: 제어밸브 178: 구동 가스
230: 오리피스 234: 플랜지
252: 조절기 260: 출구라인
300: 분리기 310: 복귀펌프

Claims (20)

1. 유압-공압 실린더로서,
   실린더에서 서로 반대측에 배치되며 실질적으로 평탄하고 서로 평행한 제1단부판 및 제2단부판과,
   상기 실린더를 통해 길이방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2단부판을 통과하는 구동축과,
   각각의 단부판 및 구동축에 연결되며 상기 실린더의 중앙에 배치되는 코어 지지체와,
   로우 드래그 흐름(low-drag flow)을 촉진시키기 위한 다수의 베인으로서, 상기 다수의 베인 각각은 코어 지지체와 제1 및 제2단부판에 연결되는, 다수의 베인과,
   상기 코어 지지체와 상기 다수의 베인 중 2개의 베인과 제1 및 제2단부판에 의해 형성되는 버킷 영역과,
   상기 다수의 베인에 연결되며 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행한 베인 지지체를 포함하며,
   상기 베인 지지체는 버킷 영역의 압력을 균등화하기 위해 유체가 흐를 수 있는 다수의 개구를 그 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 베인 중 적어도 하나에 연결되는 마이크로 버블러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로 버블러는 제1 및 제2단부판 중 적어도 하나에 연결되며, 상기 마이크로 버블러는 그 연결되는 단부판에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
4. 제1항에 있어서, 상기 버킷 영역은 다수의 버킷 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
5. 제1항에 있어서, 상기 버킷 영역의 일부는 모멘트 아암 힘을 극대화하고 그에 따라 각각의 버킷의 부력의 기계적 장점을 증가시키기 위해 실린더의 중앙으로부터 미리 결정된 거리로 변위되는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
6. 제1항에 있어서, 상기 구동축은 축을 통과하여 형성되는 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
7. 제1항에 있어서, 상기 베인 지지체는 버킷 영역을 제1부분과 제2부분으로 분할하고, 상기 제1부분은 베인 지지체에 형성된 다수의 개구에 의해 제2부분에 유체 소통가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
8. 압축된 유체의 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템으로서,
   액체를 함유하며 상단부에 배치되는 커버를 갖는 유체기밀 탱크와,
   상기 탱크의 바닥 단부에 연결되는 유체 차아징 장치와,
   상기 액체의 온도를 유지하기 위한 열관리 시스템과,
   상기 탱크에 배치되어 액체에 잠기며, 축선을 따라 길이방향으로 연장되는 구동축과 그 내부에 형성되는 다수의 버킷 영역을 포함하는 유압-공압 실린더를 포함하며,
   상기 다수의 버킷 영역중 적어도 하나는 압축된 유체가 실린더의 회전 운동을 축선 주위로 부양가능하게 제공하도록 상기 유체 차아징 장치로부터 압축된 유체를 수용하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 실린더는
   실린더에서 서로 반대측에 배치되며 실질적으로 평탄하고 서로 평행한 제1단부판 및 제2단부판과,
   각각의 단부판 및 구동축에 연결되며 상기 실린더의 중앙에 배치되는 코어 지지체와,
   로우 드래그 흐름을 촉진시키기 위한 다수의 베인과,
   상기 다수의 베인에 연결되며 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행한 베인 지지체와,
   상기 베인중 적어도 하나 또는 그 이상에 연결되며 그 연결되는 베인에 실질적으로 평행한 제1동적 드래그 감소 장치와,
   상기 제1 및 제2단부판 중 하나에 연결되며 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행한 제2동적 드래그 감소 장치를 더욱 포함하며,
   상기 다수의 베인 각각은 코어 지지체와 제1 및 제2단부판에 연결되며, 상기 베인 지지체는 버킷 영역의 압력을 균등화하기 위해 유체가 흐를 수 있는 다수의 개구를 그 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 베인 지지체는 다수의 버킷 영역 각각을 제1부분 및 제2부분으로 분할하고, 상기 제1부분은 베인 지지체에 형성된 다수의 개구에 의해 제2부분에 유체 소통가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
11. 제8항에 있어서, 상기 실린더의 각각의 측부에 배치되는 저마찰 베어링을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
12. 제8항에 있어서, 상기 유체 차아징 장치에 유입되는 유체의 온도를 유지하기 위해 공급라인이 단열되는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
13. 제8항에 있어서, 상기 유체 차아징 장치는 플레넘 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
14. 제8항에 있어서, 상기 유체 차아징 장치는 다수의 버킷 영역 중 적어도 하나에 유체 소통가능하게 연결되는 절결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
15. 제8항에 있어서, 상기 유체를 팽창시키고 유체 차아징 장치에 압력의 평형을 유지하기 위한 유체 분배 이퀄라이저 챔버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
16. 제8항에 있어서, 상기 유체 차아징 장치는 회전 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
17. 제16항에 있어서, 상기 회전 밸브는 통로 및 방출 오리피스를 형성하며, 상기 통로는 압축된 유체를 실린더로 지향시키기 위해 공급라인을 방출 오리피스에 유체 소통가능하게 연결하는 것을 특징으로 하는 부력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템.
18. 부력 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 유압-공압 실린더로서,
    실린더에서 서로 반대측에 배치되며 실질적으로 평탄하고 서로 평행한 제1단부판 및 제2단부판과,
    상기 실린더를 통해 길이방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2단부판을 통과하는 구동축과,
    각각의 단부판 및 구동축에 연결되며 상기 실린더의 중앙에 배치되는 코어 지지체와,
    로우 드래그 흐름을 촉진시키기 위한 다수의 베인과,
    상기 코어 지지체와 상기 다수의 베인중 2개의 베인과 제1 및 제2단부판에 의해 형성되는 버킷 영역과,
    상기 베인 중 적어도 하나 또는 그 이상에 연결되며 그 연결되는 베인에 실질적으로 평행한 제1동적 드래그 감소 장치와,
    상기 제1 및 제2단부판 중 하나에 연결되며 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행한 제2동적 드래그 감소 장치를 포함하며,
    상기 다수의 베인 각각은 코어 지지체와 제1 및 제2단부판에 연결되는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
19. 제18항에 있어서, 상기 다수의 베인에 연결되며 제1 및 제2단부판에 실질적으로 평행한 베인 지지체를 추가로 포함하며, 상기 베인 지지체는 버킷 영역의 압력을 균등화하기 위해 유체가 흐를 수 있는 다수의 개구를 그 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.
20. 제19항에 있어서, 상기 베인 지지체는 버킷 영역을 제1부분과 제2부분으로 분할하고, 상기 제1부분은 베인 지지체에 형성된 다수의 개구에 의해 제2부분에 유체 소통가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 유압-공압 실린더.

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