KR20130040841A

KR20130040841A - 열역학 사이클 및 열기관

Info

Publication number: KR20130040841A
Application number: KR1020127028071A
Authority: KR
Inventors: 헤렐드 리스라 네스
Original assignee: 바이킹 히트 엔진스 에이에스
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-04-24
Also published as: EP2553250A1; WO2011119046A1; US20130121847A1; NZ602962A; EA201290949A1; CN102893008A; MX2012011094A; SG184096A1; NO20110250A1; AP2012006528A0; AU2011230064A1; NO331747B1; IL222136A0; EP2553250A4; CN102893008B; AU2011230064A8; CA2794300A1; BR112012024307A2; US8590302B2; ZA201208017B

Abstract

열기관(heat engine) 또는 열펌프(heat pump)에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환(work-exchanging)에 관한 방법으로 상기 방법과 그것의 부분과정이 본질적으로 가역적인 경우라면, 상기 작동유체의 열역학사이클(thermodynamic cycle)은 거의 정확히 PVn = 상수(constan)로 나타낼 수 있는데, 여기서 P는 압력, V는 부피이고, n은 단열지수(adiabatic index gamma,γ) 를 갖는 작동유체의 폴리트로프 지수(polytropic index)로서, 상기 기관은 하나의 제1 부피변화챔버(volume change chamber)(150) 및 적어도 제2 부피변화챔버(151, 151')가 포함된 적어도 하나의 작동 기계장치(1)로 구성되는 열기관(heat engine) 또는 열펌프(heat pump)에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환(work-exchanging)에 관한 방법에 있어서, n < γ의 경우, 제1 부피변화챔버(150)에서 상기 작동유체의 제1 폴리트로프 부피변화(polytropic volume change)가 일어나는 제1 부피변화 단계; 및 b) n < γ 또는, 부피변화가 n < γ 에서 시작 및 근사 단열(near-aiabatic)(n≒γ)에서 종결되는 경우, 제1 부피변화챔버(150)에서 제2 부피변화챔버(151)까지 상기 작동유체의 적어도 하나의 제2 근사단열(near-adiabatic) 또는 폴리트로프 부피변화(polytropic volume change)가 일어나는 제2 부피변화 단계를 상기 방법은 적어도 포함한다. 또한 상기 방법을 실용화하기 위해 열기관의 배열이 도시되어 있다.

Description

열역학 사이클 및 열기관{THERMODYNAMIC CYCLE AND HEAT ENGINE}

본 발명은 열기관(heat engine) 또는 열펌프(heat pump)에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환(work-exchanging)에 관한 방법으로 상기 방법과 그것의 부분과정이 본질적으로 가역적인 경우에 있어서, 작동유체에 관한 열역학 사이클은 대략적으로 ‘PVn = 상수’의 폴리트로프 관계(polytropic relation)를 통해 설명되는데, P는 압력, V는 부피, n은 단열지수 감마(γ)를 가지는 상기 작동유체의 폴리트로프 지수(polytropic index)를 나타내고, 상기 기관은 제1 및 적어도 제2 부피변화챔버(volume change chanmber)가 구비된 적어도 하나의 장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방법을 실시하는데 사용되는 열기관을 설명한다.

최근에 재생에너지 자원의 사용에 관하여 관심이 증대되고 있다. 사용가능한 재생에너지의 형태의 대부분은 열의 형태로 이루어지며, 결국, 일사량(solar irradiance)의 산물인 수력에너지, 풍력에너지, 해양에너지는 공식용어로 열에너지(heat energy) 또는 서멀에너지(thermal energy)로 변환이 된다.

서멀에너지(thermal energy)는 직접적으로 예를 들어 물에 열을 가하는데 사용되나, 일반적으로 열을 가하는 목적보다는 어떤 에너지를 다른 형태의 에너지로 전환하는데 필수적이다. 소위 열역학 기관(thermodynamic engine)으로 불리고, 가장 일반적인 용어로써 열기관(heat engine)인 서멀에너지 기관(thermal energy engine)에 의해 생산된 전기 에너지가 가장 좋은 예이다. 열기관은 열원(熱源, heat reservoir) 및 냉원(冷源, cold reservoir) 사이의 온도차를 이용하여 기계적 일을 만들어내는 가장 일반적인 기계적 장치이다. 기계적 일로부터 전기와 같은 형태의 에너지를 더 생산할 수 있다.

열기관 형태의 예들로 증기기관(steam engines), 가솔린기관(petrol engines), 디젤기관(diesel engines), 스털링 엔진(Stirling engines), 가스터빈(gas turbines) 및 증기터빈(steam turbines)(대부분의 석탄화력발전 및 핵발전에서 사용되는 소위 랜킨터빈(Rankine trubines)들이 있다. 이외에도 더 많은 형태들이 존재한다. 가솔린 및 디젤기관 및 가스터빈들은 또한 연료의 내부연소로 얻어지는 열에너지를 이용하는 내부연소기관(internal combustion engines)의 특징을 갖는다. 증기기관 및 스털링 엔진은 외부연소에 의해 열을 이용하므로 종종 외부연소기관(external combution engines)으로 불린다.

외부연소기관이라는 용어는 종종 소위 외부연소기관의 열에너지가 연료의 연소에 필요치 않은 태양이나 열원에서 온 것으로 오도되기도 한다. 연소가 필요가 없는 열원의 다른 예는 지열 또는 토양열(ground heat)이 있다. 이러한 열은 지구의 지각 및 더 깊은 곳에 잠재하는 것이다. 외부연소기관이라는 용어는 바람직하게 가장 적절한 용어로서 외부열기관 또는 외부에 열공급원을 가지는 기관으로 교체할 수 있다.

온실가스방출의 감축과 비재생(non-rewable)에너지 자원의 사용과 관련된 국제적 요청사항으로 재생에너지 자원의 필요성이 강력하게 대두되고 있다. 또한 지열정(geothermal wells)이나 태양에너지 발전과 같은 저온에서 의 열을 이용하고자 하는 필요성이 점차 증가하고 있다. 여기서 중요하게 주시하여야 할 점은 에너지 자원의 온도가 낮아질수록 이용가능한 에너지가 더 증가하고, 구매 비용은 더 싸지게 된다는 것이다. 이러한 이용가능한 열에너지에 관하여 저급 열에너지와 고급 열에너지로써 정의되는 2개의 그룹으로 네가지 예로 나눠 볼 수 있는데, 전통적인 증기터빈에서 사용되는 것보다 그 이하의 온도를 갖는 열로 정의되는 저급 열에너지는 150℃ 시작되는 일부 기술이 있고, 반면 300℃에서 사용되는 다른 기술이 존재한다. 고급 열에너지 자원은 전형적으로 이러한 것보다 높은 온도를 가진다. 저온에서의 열에너지를 사용하는 경우, 이론상 효율의 최대값이 낮은 단점이 있어서, 에너지를 충분하게 이용가능한 한도 내에서는 중요성이 낮게 된다.그럼에도 불구하고, 모든 열이 고비용의 고급 열원에서 필요한 열이 아닌, 예를 들어 고급 열에너지에다가 저급 열에너지를 보충하여 상대적으로 높은 효율을 갖도록 하는 혼합된 다른 에너지 자원에 의해 전체적으로 이용가능한 에너지의 활용을 향상시키고 있다.

오늘날, 여러 가지 경우에 있어서 저급 열에너지를 독자적으로 사용하는 여러 기술이 있다. 예를 들면, 스털링 엔진 및 소위 ORC 터빈이라 불리는 유기매체 랜킨사이클 터빈(Organic Rankine Cycle turbine)이 있다. ORC 터빈은 전통적인 증기터빈과 같이 랜킨사이클(Rankine cycle)을 따른다. 그러나 명칭에서 유기매체(Organic)가 있는 것에서 보듯이, 물 대신에 종종 펜탄(pentane, 1 기압에서 36 ℃에서 끓음), 디에틸 에테르(diethyl eher) 또는 톨루엔(toluene)과 같이 대기압에서 낮은 비등점을 갖는 유기 작동유체(organic working fluid)를 사용한다. 비등점이 낮은 유체를 사용하여, 100 ℃(물의 기준 비등점)보다 훨씬 낮은 온도에서 열에너지를 사용할 수 있다.

최근의 저온 기술이 더 많은 발전하기 위해서는 더 넓은 공간을 필요로 하는 점 등의 몇 가지 단점을 갖는다. 예를 들어 ORC 기술은 상대적으로 고급 터빈 기술이 필요하며, 해당 기술의 전문지식이 낮은 이러한 분야에서는 이러한 기술이 이용되는 것이 힘들게 되고, 더 나아가 이러한 기술의 사용은 고비용을 수반한다. ORC 장치는 추가적으로 증발기 탱크(evaporator tank)가 필요하고, ORC 터빈용 상기 작동유체는 이상적으로 터빈으로 주입되기 전에 완전히 증발이 되어야 하는 바, 열교환을 위해 많은 부피를 필요로 하게 된다. 이러한 점이 만족이 되지 않으면 여러가지 형태의 터빈에서, 이 터빈에는 유체가 포함되어 있으므로 그러한 힘의 결과로 터빈의 날에 부식을 가져올 수 있다. 터빈에서 터빈의 날이 부식이 되면 결국 파괴될 수 있다. 추가적으로, 근사 등온팽창(near isothermal expansion)(또는 실질적인 폴리트로프 팽창)이 일어나는 스털링 엔진과는 반대로, 터빈은 일반적으로 팽창시 열이 추가되지 않는 단열과정이다. 스털링 기술은 물질특성 및 열교환기에 관한 대량 수요와 같은 해결하기 어려운 여러 문제점들을 가지고 있고, 스털링 엔진에 필요한 물질과 나머지 구성요소들이 보통 일반적인 엔진 및 기관 산업분야에서 기준 제품으로 찾을 수 없다. 이러한 점이 스털링 기술을 고비용으로 만들게 되고, 이러한 기술을 사용한 에너지 생산 및 유지를 위해 고급 전문가가 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 기존의 기술의 단점을 적어도 하나를 제거 또는 감소하거나 적어도 선행기술에 대한 유효한 대체수단을 제공하는 것이다.

그 목적은 이하의 상세한 설명 및 차후의 청구항에 의해 개시되는 특징들로써 달성하게 된다.

본 발명은 외부 열기관에서와 같이 외부 열 공급을 갖는 열기관 및 열역학 사이클과 관련된다. 본 발명은 적절한 온도 수준을 갖는 어느 이용가능한 열에너지 자원으로부터 에너지의 생산과 관련되어 이용된다.

본 발명은 그 자체가 팽창하는 동안 여분의 열을 공급하는 원리를 이용한다. 그리하여 상대적으로 생산량에 비해 소규모로 이루어질 수 있다. 이것은 무게, 구조물질의 양, 생산비용 등과 관련하여 매우 유리하다. 팽창하는 동안 열을 공급하는 열기관의 많은 예들이 있다. 스털링 또는 디젤 사이클에 기초한 엔진 이외에도, US 특허 7,076,941(Hoffman), 2009/0000294(Misselhorn) 및 4,133,172(Cataldo)가 있으며 이들 이외에도 추가적인 예들이 있다. 본 발명은 주로 덜 알려져 있는 기체 및 액체상 사이(이상원리(二相原理,two-phase principle))에서 교대로 변화되는 작동유체가 팽창하는 동안 열을 공급하도록 하기 위한 것이다.

도 1은 서로 다른 폴리트로프 과정(polytropic processes)에서 작동의 차이를 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 2는 선택된 폴리트로프 과정에서 작동의 차이를 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 3a는 제1 팽창과정이 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 극단적 변이를 보여주는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 3b는 상기 팽창과정이 기관의 현실적 실시예에 더 근접하도록 일어나지만 상기 제1 팽창과정이 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 3c는 상기 팽창이 기관의 또 다른 현실적 실시예로서 진행되는 것을 나타내는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 4a는 제 1 팽창과정은 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 극단적 예로서 열의 이동흐름을 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 4b는 상기 팽창과정이 기관의 현실적 실시예에 더 근접하도록 일어나지만 상기 제 1 팽창과정이 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클에서 열의 이동흐름을 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.
도 4c는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 또 다른 현실적 실시예에서 열의 이동흐름을 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)를 도시한 것이다.
도 5는 선행기술인 스털링 엔진(Stirling engine)의 기본 구조를 도시한 것이다.
도 6a는 복동식(複動式)(double-acting) 실린더 및 제1 팽창 챔버(expansion chamber)와 열적으로 접촉된 열교환기(heat exchanger)를 포함하는 본 발명의 작동장치(확장기, expander)의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.
도 6b는 복동식 실린더 및 제1 팽창 챔버, 열적으로 접촉된 열교환기, 및 제 2 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 포함하는 본 발명의 상기 작동장치의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.
도 7a는 상기 제1 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가진 2개의 실린더 변이의 형태로써 본 발명의 상기 작동장치의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.
도 7b는 상기 제1 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기, 및 상기 제2 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가진 2개의 실린더 변이의 형태로써 본 발명의 상기 작동장치의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 유일한 1개의 열원이 사용되는 본 발명에 따른 열기관의 전형적인 실시예를 도시한 것이다.
도 9는 서로 다른 온도에서 사용되는 2개의 열원(heat reservoir)으로 이루어진 본 발명에 따른 열기관의 전형적인 실시예를 도시한 것이다.
도 10은 크랭크(crank)/모터 덮개(motor housing)가 없는 열기관의 작동
장치를 도시한 것이다.
도 11은 크랭크/모터 덮개가 없는 열기관의 대표형상에 관한 투시도를 도시한 것이다.
도 12는 피스톤의 하사점에서의 상기 기관의 측면도를 도시한 것이다.
도 13은 상기 제1 (하부) 실린더 챔버에서의 팽창 및 제2 (상부) 실린터 챔버에서의 방출시 상기 기관의 측면도를 도시한 것이다.
도 14는 피스톤이 상사점 위치인 경우 상기 기관의 측면도를 도시한 것이다.
도 15는 하부로부터 상부 실린더 챔버까지 작동유체의 팽창시 기관의 측면도를 도시한 것이다.
도 16a는 선행기술 즉 이상적 ORC 싸이클에 따른 T-S 선도(T-S diagram,온도-엔트로피 선도)를 도시한 것이다.
도 16b는 본 발명에 따른 열역학 사이클에 관한 T-S 선도(T-S diagram)를 도시한 것이다.
도 17은 복동식 실린더 및 제1 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가지고 또한 제2 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가지며 교대로 하나의 제2 단동식 근사단열 실린더에 연결되는 본 발명의 작동장치의 기본 모범 실시예를 도시한 것이다.
도 18은 도 17의 예와 같은 본 발명의 작동장치의 기본 모범 실시예를 도시한 것으로, 대신에 교대로 하나의 단동식 근사단열실린더에서 하나의 제3 팽창챔버에 연결이 되는 내부열교환기를 갖고 각각의 팽창챔버를 포함한 복동식 실린더를 갖는다.
도 19는 본 발명의 작동장치의 기본 모범 실시예를 도시한 것으로, 부속 피스톤을 갖는 오직 단동식 실린더는 2개의 작동챔버를 하나 및 동일 실린더 부피에서 정의하고, 바람직한 실시예로 적어도 하나의 열교환기 오직 상기 제1 작동챔버를 둘러싸게 된다.

기관의 일 실시예로, 2개의 실린더의 작동부피에 의해 결정이 되며, 상기 2개의 팽창챔버 및 그 사이에서 팽창되는 작동유체에 열을 공급하여 팽창되도록 하고, 2개의 다른 열역학 과정이 이루어지게 하기 위하여 상기 2개의 팽창챔버를 이용하게 된다. 본 발명은 다른 실시예에서 하나 및 동일 실린더에서 2개의 다른 열역학 과정이 이루어지도록 하기 위하여 상기 막대 및 피스톤 측면 모두를 이용하게 된다. 상기 2개의 다른 과정을 위해 2개의 분리된 실린더를 사용할 필요가 없기 때문에, 열기관의 크기는 더 감소할 수 있게 된다. 그 중에서도 US 특허 4,393,653(Fischer)에서는 2개의 실린더챔버를 형성하는 상기 막대 및 피스톤 측면 사이에서 사용되는 열기관에 기초한 피스톤을 보여준다. 본 발명과 US 특허 4,393,563 사이의 과제해결수단을 구별하는 것은 US 특허 4,393,563이 2행정 기관(two-storke engine)에서 막대 측면을 이용하는 것으로, 상부 챔버 속으로 더 힘이 가해지기 전에 공기가 주변으로부터 빨려오게 된다. 추가적으로 US 특허 4,393,563의 우회통로(bypass)의 1개의 개구부(opening)는 피스톤의 작동 위치에 의해 결정되어, 우회통로의 개구부가 어디에 있는지 또는 피스톤 작동위치의 어디에서 유지되는지 여부에서 본 발명의 특징과 차이가 난다. 또한 다른 예로서, 이러한 복동식(複動式) 원리(double acting principle)를 이용하는 것이지만, 소수는 순수한 팽창을 위해 피스톤 ‘아래’부피를 이용한다. 증기기관에 기초한 전통적 피스톤에는 예외가 존재하나, 이러한 것들은 랜킨 사이클(Rankine cycle)을 따르는 것으로 본 발명의 경우에는 해당하지 않는다.

추가적으로, 열기관은 앞서 언급한 저급 열원(熱源, heat reservoirs) 및 고급 열원과 같은 2개의 다른 열원(熱源, heat reservoirs)의 열을 이용한다. 출판물 “복합 저급 및 중급 열원의 전환에 의한 효율 향상 목적의 복합열원 유기매체 랜킨사이클(DORC)”(A Dual-Source Organic Rankine Cycle (DORC) for Improved Efficiency in Conversion of Dual Low- and Mid-grade Heat Sources), (Doty 및 shevgoor, Doty Scientific, 2009년)은 ORC로 표현되는 상기 출판물의 열역학 사이클에서 2개의 열원(double heat reservoir)을 이용하는데 있어서의 가능한 이점을 상세히 설명하고 있다.

열기관에 의해 실행되는 특징적인 열역학 사이클을 나타내는데 있어서, 엔진하우징(engine housing)를 포함하는 열기관; 피스톤(piston), 피스톤 스템(stem), 연결봉(connecting rod), 크랭크축(crankshaft), 밸브(valve), 유체채널(fluid channel) 및 시일(seal) 등으로 형성되는 하나 또는 그 이상의 실린더 어셈블리(cylinder assembly); 하나 또는 그 이상의 복열(復熱)장치(recuperators, regenerators) 및 적어도 하나의 가열기(heater) 및 부속밸브(appurtenant valves)로 구성되는 가열과정(heating course); 적어도 하나의 냉각기(cooler) 및 가능한 상기 가열과정을 향해 사용되는 복열(復熱)장치(recuperators)로 구성되는 냉각과정(cooling course); 주입장치(injection unit); 액체저장고(liquid reservoir) 및 열유체(thermo-fluids)를 위한 순환펌프(circulation pump)로 이루어진다. 상기 실린더 어셈블리는 단순하고 전통적 실시예로서 일반적인 연소 기관(combustion engine)과 같이, 2개의 피스톤 사이에서 동기화(同期化) 방식으로 크랭크축을 포함하는 2개의 실리터 장치로 구성된다. 이 실린더는 제1 및 제2 실린더로써 구체적으로 정의할 수 있는데, 더 큰 직경을 갖는 상기 제2 실린더, 또는 더 긴 스트로크(stroke)를 갖는 이 챔버의 피스톤, 또는 이러한 것의 조합에 의해 상기 제2 실린더에서 완전히 팽창된 부피는 상기 제1 실린더에서의 완전히 팽창된 부피보다 더 크게 된다.

하나의 실시예로서, 상기 실린더 어셈블리는 2개의 챔버로 나누어지는 1개의 실린더로 구성되어, 피스톤은 이러한 것들 사이에서 이동가능하고 분할되는 벽을 따라 작동하게 되고, 한 쪽 측면에 맞추어 고정된 피스톤 스템(piston stme)을 포함한다. 이 측면은 피스톤의 제1 측면으로 정의되고 제1 실린더 챔버를 구성하여, 피스톤 스템은 유체가 꽉찬 상태에서 제1 실린더의 축을 형성하는 종단부를 통해 인도가 된다. 피스톤의 반대 종단부는 피스톤의 제2 측면으로 정의되고 제2 실린더챔버를 형성한다. 상기 제2 실린더 챔버의 완전히 팽창된 부피는 상기 제1 실린더챔버에서의 부피가 이루어지는 피스톤 스템의 결과로써 상기 제1 실린더챔버의 완전히 팽창된 부피보다 더 크게 된다.

본 발명은 피스톤이 위로 이동 중이고 제1 실린더 챔버에 열이 가해질 때 열기관에서 작동유체가 처음 팽창이 이루어지는 특징적인 열열학 과정들의 일련의 순서로 구성되고, 제1 실린더 챔버로부터 더 팽창을 하고 상기 피스톤이 반대로 되돌아 갈 때 선택적으로 상대적 단열의 제2 실린더 챔버 및 모든 작동유체가 제1 실린더 챔버로부터 제2 실린더 챔버로 실질적으로 흐르는 것이 가능하게 하는 통로를 형성하는 부수밸브(apprutenant valve)를 포함하는 작동유체 우회통로를 통해 더 팽창을 하게되는 것을 특징으로 한다. 상기 기관은 상기 제1 실린더 챔버에서 작동유체에 관한 열교환기에 따른 기능으로 실린더 벽을 통해 외부 유체 과정에서 열유체로부터 및 상기 챔버에서 작동유체로 열이 전달될 수 있어서, 추가 열이 상기 기관을 관통하는 효과가 증가되도록 상기 팽창과정에서 작동유체에 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 기관은 또한 피스톤에 적용되는 일이 상행 행정(上行行程, up-stroke) 및 하행 행정(下行行程, down-stroke) 간에 분배가 되고, 전통적인 증기기관을 제외하고 알려져 있는 피스톤 기관의 대부분에는 일반적이지 않은 것을 특징으로 한다. 이것은 이동에 의한 더 큰 면적의 피스톤에 의해 이루어진 일을 분배하는데 기여를 하는데, 다시 상기 기관에 힘이 감소하게 되어, 행해진 일(W)= 힘(F) x 거리(s)로써, 여기에서는 거리(s)는 증가하게 된다. 기계적 부하(F에 의행 발생)는 감소하게 되고, 더 단순하고 더 저렴한 물질이 사용될 수 있다. 동일한 원리가 상기 기관의 2개 실린더 실시예에 유효할 것이다.

비록 상세한 설명에서 피스톤의 이동과 관련하여 "위(up)" 및 “아래(down)" 용어가 사용되나, 본 발명은 물리적으로 수직의 피스톤 운동에 제한되지 않는다. “위(up)”는 피스톤에 연결된 크랭크축으로부터 멀어지는 것으로 이해하면 되고, “아래(down)"는 크랭크 축을 향하는 방향을 의미한다.

본 발명은 에너지 공급에 있어서 상당한 증가가 이루어지게 된다. 그러므로 완성된 사이클 당 일의 이용과 관련하여 상당하게 열기관의 효율(단위부피 또는 단위질량 당 효율)을 증가시키는데 기여한다.

상기 기관은 주로 2상 원리(二相原理,two-phase principle)에 따른 일을 하기 위한 것으로, 랜킨사이클(Rankine cycle)과 같이 액체 상태와 기체 상태 사이에 변화하는 작동유체에 관한 열역학 사이클에 의해 정의된다. 그럼에도 불구하고, 이 사이클과 엔진은 단지 1개의 상(相)(one phase)으로서 바람직하게 기체 상태에서 작동유체를 이용할 수 있다.

본 발명은 또한 예를 들어 ORC와 관련된 열원 온도수준에 있어서 더 나은 이용을 제공한다. 최고 온도수준에 대하여 열교환에 필요한 시간이 더 감소하고, 그 팽창은 더 낮은 엔트로피 수준에서 시작하게 된다. 이것은 도 16b의 T-S 선도(T-s diagram)에 나타난다(도 16a 및 16b의 T-S 선도에서 커브에 의해 보여지는 사이클은 시계방향으로 이루어진다). 도 16a에는 이상적 ORC 사이클에 관한 T-S 선도를 나타내고, 등압 열공급 과정은 상부 수평선으로 도시되고, 그 과정은 상기 유체의 건조 지역으로 과열시킴으로 종료된다. 즉 그것이 다시 하강하기 전에 수평선으로부터 상향으로 대각선으로 가리키는 선의 작은 “종료” 부분이다. 어떤 온도 수준에서 유체에 대한 열교환을 하기 위해, 열원은 높은 열의 유통이 이루어지도록 상당히 더 높은 온도를 필요로 한다. ORC에서와 같이, 다음으로 작동유체가 이러한 온도에서 기화가 될 때, 열교환기 표면이 매우 넓거나 상기 유체가 표면과 접촉하는 시간이 길다는 것을 의미한다. 이것은 팽창기(expander)로 터빈을 사용하는 ORC 기관 때문이다. 그리고 이러한 것은 그들이 내부 열교환기를 포함하지 않기 때문에 오직 근사 단열로 확장을 할 수 있다. 그리하여 모든 열을 팽창에 앞서 공급하여야 한다. 본 발명에서는 반대로 다른 열역학 원리 즉, 예를 들어 스털링 엔진과 같이 어느 정도의 열이 그 자체가 팽창하는 동안 공급이 된다. 이러한 점은 상기 팽창은 자연법칙에 의해 결정된 압력강하 및 절대적으로 온도하강을 초래하기 때문에, 가능한 더 유리하게 작용하게 되고, 열교환기와 유체 사이의 온도차가 팽창하는 동안 증가하기 때문에 열의 유동은 가능한 높아지게 되어, 더 많은 열이 더 빨리 공급된다. 이러한 원리가 증발기(evaporator) 없이 처리가 가능한 가장 중요한 이유가 된다. 그렇지 않다면, ORC 사이클에서는 필수요소이다. 본 발명에 따르면 도 16b에서 하강 곡선에 도시된 것처럼, 팽창은 유체의 건조 구간으로 도달하기 전에 시작을 하고, 엔트로피가 증가함에 따라 온도는 하강한다. 사이클의 이 부분에서, 기관으로부터 일을 얻을 수 있다. ORC에서, 도 16a의 커브의 수직하강 부분에 도시된 것처럼 일은 사이클의 단열(등엔트로피, isentropic)일 경우 얻을 수 있다.

액체 형태의 유체는 주입장치(injection unit)에 의해 저압 저장소(low-pressure reservoir)에서 고압 가열과정(high-pressre heating course)으로 펌핑이 된다. 상기 저장소는 파이프, 액체탱크, 또는 액체를 담을 수 있는 다른 장치일 수 있다. 이하에서 유체라 언급되는 작동유체는 물, 펜탄(pentane), 또는 다른 유기 액체(organic liquid), 다른 냉각 매개체 등과 같이 적용에 있어 적당하다면 어떤 유체든 가능하다.

이하에서 또한 주입기(injector)로 불리는 유입장치는 저압에서 고압으로 유체를 펌핑하는데 사용되는 장치일 수 있다. 유입기는 여러 묶음으로 유체를 펌핑하거나, 적당한 유체의 흐름을 공급하고 유출구(outlet)에서 유체에 대한 압력을 일정하게 유지하도록 배치될 수 있다. 유입기의 유출구에는 마찬가지로 체크밸브(non-return valve)가 결합될 수 있다. 유입기는 더욱더 기계적으로 열기관과 동기화될 수 있고 공급양과 유입시간이 필요에 따라 조절될 수 있다. 유입기는 현대차에서 엔진 제어용으로 사용되는 기관제어장치(Engine Control Unit (ECU))와 같은 전자제어시스템(electronic controlsystem)에 의해 제어될 수 있도록 배치될 수 있다.

유입기 유출구(injector outlet)로부터 상기 유체는 유체에 열에너지를 공급하는 목적을 갖는 가열과정(heating course)으로 펌핑이 된다. 가열과정은 유체가 다른 온도수준에서 다수의 가열단계를 거치도록 설계될 수 있다. 가열과정의 제1단계에서 유체는 잘 알려진 복열장치(recuperator) 원리에 따라 설계된 복열장치를 통하여 흐르게 되고, 이것을 통해 열기관 유체 유출구로부터 폐열(waste heat)의 일부를 회수할 수 있다. 가열과정의 다음 단계나 선택적으로 제1단계에서, 유체는 외부 열원(external heat reservoir)으로부터 열을 공급하는 가열기(heater)로 흐르게 된다. 가열과정은 추가적으로 동시에 다양한 열원, 바람직하게 연속하여 더 높고 상승하는 온도를 가는 열원으로부터 열을 이용하는 다수의 가열단계를 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, 또한 다양한 온도 수준에서 잔열(residual heat)을 회수하기 위한 목적으로 복열장치를 더 추가할 수 있다.

가열과정은 유체의 유출구에서 가열과정의 압력은 항상 일정 수준을 초과되도록 하는 기능을 갖는 사이클링 밸브(cycling valve)와 같은 압력한계밸브(pressure threshold valve)를 포함한다. 상기 밸브는 또한 유량(flow rate) 및 가열과정에서 흐르는 작동유체의 압력이 다양한 필요에 따라 조절이 되도록 하는 조절원리에 따라 조절이 가능하다. 가열과정 부피는 바람직하게 하나의 사이클에서 주입에 필요한 것보다 더 많은 가열과정 내 작동유체가 유지되도록 하는 크기로 될 수 있다. 이것의 이점은 영향을 받는 기관 디자인의 나머지 부분이 없도록 하는 필요에 의해 부피와 그와 관련된 가열과정의 열교환 표면적이 변화될 수 있다는 것이다. 가열과정은 또한 다른 것들 가운데 변화하는 부하 및 기관 내부로 항상 유입되도록 하는 가열된 유체의 양에 적합하도록 기관의 능력을 강화시키는 유체 완충제(buffer)로서의 기능을 할 수 있다.

본 발명의 실시예로, 상기 유체는 가열과정에서 충분히 높게 유지되는 압력 및 액체와 기체 사이의 분리의 존재가 사라지게 되는 임계점(critical fluid point)을 초과하지 않는 유체온도에 의해 전체 가열과정 동안 액체상태를 유지하게 된다. 본 발명의 다른 실시예로, 임계점 이상의 온도를 갖는 열교환기와 접촉함로써 임계점 이상으로 가열이 될 수 있고, 이때 유체의 전부 또는 일부분은 초임계 상태(supercritical state)로 변환될 수 있다.이러한 점에서, ORC 터빈에서와 같이 큰 용량의 증발기가 필요 없는 챔버가 작동하는 열기관 속으로 주입되기 전에 많은 양의 열이 유체에 추가가 될 수 있다. 이것은 상기 유입기가 항상 이용가능한 사이클 당 유입에 필요한 양으로 가열과정에 충분한 유체를 공급하는 것으로 상정한다. 가열과정에서 압력이 기관에 작동하는 압력을 초과 유지되도록 설정이 된 유입기가 이러한 것을 해결한다. 그 중에서도 다기관 보통분사(common injection manifold), 소위 "보통관" 분사(common-rail injection)를 포함한 디젤엔진이 알려져 있다. 그러나, 이것은 본 발명에 따른 작동유체 유입이 아니라 연료의 분사와 관련이 있다.

가열과정으로부터 작동유체는 작동유체 유입구, 이하에서 노즐(nozzle)이라 명명된 작동유체 유입구를 통해 상기 제1 작동챔버로도 불리는 상기 제1 실린더챔버 또는 상기 팽창챔버 내부로 유입된다. 가열과정 내로 흘러가는 유체가 이미 그곳에 존재하는 유체에 상응하는 양을 대체하기에 충분한 압력을 적용하는 가열과정의 유입측면 상의 유입구에 의해 그 유입이 이루어지게 되고, 이러한 양은 노즐로부터 가열과정의 외부 및 제1 실린더 챔버로 흐르는데 원인이 된다. 다른 실시예에서, 액체 통관류(through-flow)를 위해 가열과정 유출구의 개구부의 밸브에 의해 주입이 이루어지고, 상기 주입기는 가열과정에서 압력을 유지하여 항상 이용가능한 충분한 유체를 유지하게 된다. 또 다른 실시예에서, 작동유체의 목표량은 완전히 상기 제1 실린더챔버 내로 유입되는 목표량이 될 때까지 처음에는 액체상태를 유지하게 된다. 이러한 것은 충분한 고압 및 유량을 유지하도록 배열된 유입기 및 상기 제1 팽창챔버 내부에 작동유체가 위치하기 전에 액체 형태에서부터 팽창되도록 시작하지 않는 작동유체의 목표량에 의해 이루어진다. 이러한 경우, 유입기가 연장되도록 배열될 수 있어서, 이것은 가열과정 유출구 또는 가열과정 유출구 및 유체 유입구 사이에 위치할 수 있어서, 작동유체의 압력과 유량을 통제할 수 있다.

제1 작동챔버는 부피를 증가시키는 피스톤의 상향이동(upward movement)(2행정 실시예에서 하향)에 의해 제1 팽창기(expander)로서 기능을 한다. 상기 노즐은 유입된 유체가 처음에 상기 실린더챔버의 내부원주의 접선방향을 따르는 유체 방향을 얻을 수 있도록 방향이 맞춰질 수 있다. 그리하여, 상기 제1 실린더챔버의 부피의 팽창을 가져오는 피스톤때문에 흐름과정이 나선형태를 갖도록 한다. 이러한 것의 이점은 작동유체가 상기 실린더 내부에서 싸이클론 같이 흐르게 되고, 최고밀도를 갖는 유체의 부분이 상기 실린더 벽에 대해 바깥쪽으로 던져지는 것이다. 이것은 다시 상기 실린더 벽과 증가된 열교환이 되도록 하여, 유체가 부분적으로 액체형태라면, 유체의 가장 냉각된 부분은 보통 최고 밀도를 가지게 된다.

상기 제1 실린더챔버는 주로 가열된 열유체가 순환하게 되는 외부 흐름 채널로 형성되는 제1 실린더 섹션(cylinder section)으로 구성된다. 상기 열유체는 외부 열원으로부터 열을 전달한다. 작동유체가 팽창하는 동안, 잔여 열이 실린더의 외부 열유체와 내부의 작동유체사이에 열교환기로 작동하는 실린더 벽에 의해 공급되어 진다. 열교환기가 얼마나 효율적인지 여부는 열유체의 온도 수준, 폴리트로프 팽창과정의 범위에 의존한다. 열유체가 순환하지 않아서 작동유체에 열이 공급되지 않는 경우, 팽창이 충분히 빠르게 일어난다면 근사 단열 팽창과정이 일어날 수 있다. 충분한 열이 팽창하는 동안 작동유체 온도를 일정하게 유지하도록 공급된다면, 등온팽창 과정이 이루어진다. 더 많은 열과 작동유체가 공급된다면, 등압팽창이 이루어져서, 압력은 상기 팽창과정을 통해 상대적으로 일정하게 될 것이다. 더 극단적이 예로, 아주 많은 열과 작동유체가 과정에 공급되면 팽창하는 동안 압력은 증가하고, 초압(superbaric)팽창과정이 이루어진다. 작동유체가 상기 노즐의 이전 또는 이후, 그러나 상기 가열과정의 유출구의 상기 밸브 이후에 상기 제1 실린더챔버와 접촉하도록 이동하기 전에, 추가적으로 그것의 팽창 시작에 유체에 더 열을 공급하는 가열기로 맞춰질 수 있다. 이러한 방식에서 상기 제1 팽창과정에서 열교환은 오직 상기 제1 실린더챔버의 열교환 용량(heat exchange capacity)에만 의존하지 않을 것이다.

본 발명은 부피변화/작동 챔버의 특정 숫자에 제한되지 않는다. 그러나 일반적으로 어떻게 열교환기 기능을 실행하는지 여부에 따라 하나 또는 그 이상의 작동챔버로 구성될 수 있다. 바람직한 실시예로 본 발명의 핵심은 열교환 과정에서 다른 상태로의 변이(transition)가 존재하고 (열공급과 함께) 폴리트로프 팽창에서(특별한 열공급 없이) 근사 단열팽창에까지 이루어지고, 이것은 내부연소기관과는 반대로 내부 열교환기로 해결이 된다. 디젤엔진과 같은 연소기관에서, 상대적으로 단순하게 팽창이 완료되기 전에 연료 분사를 중단하는 것으로 해결하는데, 연료 연소에 의해 주어지는 것보다 많은 열이 공급되지는 않기 때문에 팽창과정의 나머지 부분에 단열과정을 줄 수 있다. 이러한 것의 이점은 동시에 팽창동안에 잔여 열을 공급하는 것이고, 또한 대체적으로 냉각에 의해 원하지 않는 에너지 손실이 될 수 있는 잔여 열을 이용하도록 얻어진다. 이것은 또한 전통적 증기기관의 해법에 상응되는데, 보일러부터의 증기 공급은 피스톤(다중 팽창엔진(multi expansion engine)에서의 피스톤)이 실린더의 꽉찬 위치로 도달하기 훨씬 이전에 끝이 난다. 많은 열이 전체 팽창과정 동안 공급된다면, 잔여 고압(high residual pressure) 및 잔여 고열(high residual heat)과 함께 종결이 될 것이고, 일을 하도록 이용하지 않아 이러한 이유로 손실이 된다.

시행 및 해법은 적어도 2 단계로 팽창과정을 나누게 되어, 상기 제1단계가 하나의 폴리트로프 또는 혼합 폴리트로프 과정의 몇몇 변종의 종류를 갖는 열교환과 함께 일어나고, 반면에 상기 제2단계는 거의 또는 완전히 열교환 없이 일어난다. 이것은 많은 방법으로 해결이 될 수 있다.

매우 단순한 예로, 도 19에 도시된 것과 같이 챔버의 일부분을 둘러싸는 실린더에 내부 열교환기가 공급될 수 있다. 이러한 방식에서, 내부 실린더 전체표면에 대비하여 열교환기의 표면 부분은 피스톤이 팽창 스트로크(expansion stroke)인 동안 상기 실린더 벽의 점점 더 많은 부분을 덮지 못할 때 감소하게 될 것이다. 그러면, 작동유체가 팽창할 때, 부피는 증가할 것이고, 밀도는 감소하고, 열교환기 표면 부분은 감소하여, 과정을 더욱더 단열 방향으로 유도하게 될 것이다. 게다가 내부 열교환기에 속하지 않는 실린더 내부 표면은 열적으로 단열이 되어, 더욱 더 단열 과정으로 이러한 부분에서 열교환과 대응될 것이다. 나아가 이상(two phase) 유체의 팽창이 관련된다면, 하나의 단계에서 또는 다른 단계에서 유체는 팽창하는 동안 액체에서 기체로 바뀌고, 낮은 열전달계수(heat transfer coefficient)를 갖는 기체 상태 때문에 열전달에 있어서 상당한 감소가 수반될 것이어서, 상기 과정을 더 단열 방향으로 가도록 하는데 기여할 것이다. 이러한 방법으로 하나의 실린더의 사용에 의해 팽창과정에서 변이(transition)가 일어나도록 하게 될 것이고, 초기 높은 열전달이 일어나게 되고, 반면에 단열과정에 도달하도록 시간이 지나서 상당하게 열전달은 감소하게 될 것이다.

더 바람직한 예로, 도 6a 및 7a 또는 도 17 및 18에 도시되어 있는 것처럼 2가지 과정이 분리된 실린더챔버 사이에서의 팽창을 이용함으로써 분리될 수 있다. 이러한 방식에서 오직 하나의 실린더챔버에 열교환기를 갖도록 선택하거나 적어도 마지막 실린더챔버에는 열교환기를 갖지 않도록 할 수 있고, 여기에서 흐르는 유체는 더 열을 받지 않도록 하여 팽창하는 동안 열교환기 표면에 대한 유체의 접촉을 제한하기가 더욱 용이하다. 처음에는 상기 제1 가열된 실린더챔버에서 유체는 팽창이 되고, 그리하여 제2 단열 실린더챔버에서 제1 실린더챔버에서 보다 더 큰 변동부피를 갖는 팽창이 이루어진다. 이러한 것이 이루어지려면 2개의 챔버가 또한 유체전달방식(fluid-communication way)으로 연결되어야 하고, 피스톤은 예를 들어 서로 반대로 변이가 동기화 되는 것과 같이 적어도 서로 맞게 돌아가지 않아야 하고, 밸브(도면에 도시되지 않음)는 적당한 때에 이러한 것이 이루어지도록 구성되어야 한다. 이러한 예에서 상기 제1 챔버에서 일어나는 제1 팽창과정은 폴리트로프 또는 혼합 폴리트로프 팽창의 특징을 가질 것이고, 상당한 양의 열이 열교환기에 공급될 수 있도록 적절히 디자인된다. 상기 제2 팽창과정은 시작을 할 때에는 폴리트로프가 될 것인데, 대부분의 유체가 내부열교환기를 갖는 상기 제1 챔버에 여전히 있으나, 유체 덩어리가 열교환기 없이 상기 챔버로 전송이 되기 때문에, 그 과정은 또한 점점 더 여기에 공급되는 열이 줄어들게 되어 더욱 단열과정에 도달하게 될 것이다. 이 예는 도 6a에 도시된 복동식(複動式)(double-acting) 실린더/피스톤 및 도 7a에 도시된 단동식(單動式)(single-acting) 실린더/피스톤 가운데 여러 가지 변형된 형태로 실시가 될 수 있다. 게다가 도 17 및 18에 제안된 것처럼, 열교환기가 있든 없든 여러 실린더/피스톤을 일련의 단위(cascade)로 이용하여 유체와 열교환을 위해 허용되는 시간은 증가할 수 있다. 도 17과 18의 차이는 도 17이 폴리트로프 팽창에 관한 복동식(複動式) 실린더를 나타내나, 도 18에서는 단동식(單動式) 실린더를 나타낸다. 특히 윤활(lubrication), 마찰(friction) 및 밀도(density)와 관련하여, 양 방식은 모두 이점 및 단점이 있다. 그러나 본 발명의 기본적 특징과 관련하여 중요하지 않으므로 더 상세한 것은 여기에서 언급되지 않는다.

특별한 경우로, 예를 들어 더 높은 효과밀도(effect density), 더 낮은 효율 또는 양자를 갖는 것이 바람직한데, 상기 팽창과정의 마지막 부분에서 열교환을 공급하는 것이 가능할 수 있다. 본보기가 되는 실시예는 도 6b 및 7b에 도시되어 있어, 양 실린더 챔버는 열적으로 열교환기와 접촉한다. 이것은 게다가 도 19에 도시되어 있는 해결책에 적용되는데 언제든지 열교환기와 접촉하는 실린더챔버의 부분은 상위 제한을 가지지 않고 원칙적으로 거의 실린더 부피의 100 %를 둘러싸기 때문이다.

반복하여, 도 16b의 상기 T-S 선도는 본 발명에 따르는 과정에 관한 열역학 결과를 나타낸다.

폴리트로프 과정은 거의 정확하게 PVn = 상수 관계에 의해 설명된다. P는 압력, V는 부피, n은 특정한 폴리트로프 지수이다. 나아가, 작동유체는 단열지수, 감마(γ)를 가지고, 이것은 유체마다 변하게 된다. n = ?의 경우, 과정은 단열과정으로 정의된다. 게다가 n = 1이라면, 과정은 온도가 일정한 등온과정으로 정의되고 이상기체방정식 PV = nRT 에서 nRT 부분은 결과적으로 상수가 된다. 더 나아가, n = 0 은 압력이 일정한 등압과정을 정의한다. 동일한 방식으로 n < 0은 압력이 팽창동안 증가하는 초압(superbaric) 과정으로 정의된다. n < ?의 경우, 열교환이 상기 제1 실린더 챔버와 유체 사이에 일어나기 때문에 하부 실린더챔버에서 팽창과정이 일반화되고 거의 정확히 PVn을 따르는 폴리트로프 과정으로 정의된다.

피스톤이 상사점(TDC-Top Dead Centre)(또는 2개 실린더 디자인에서 하사점(BDC - Bottom Dead Centre))에 도달하면, 상기 제1 실린더챔버의 부피는 최대점에 도달한다. 이 시점에 열기관 우회통로의 밸브는 개방이 되고, 팽창이 우회통로를 경유하여 제1 실린더챔버로부터 및 제2 실린더 챔버 속으로 계속 이루어진다. 상기 제2 실린더챔버는 완전히 또는 부분적으로 열적으로 열기관의 나머지 부분으로부터 단열이 되어 여기에서 흐르는 유체는 근사단열팽창이 이루어진다. 상기 엔진의 대체 실시예로서 바람직하게 제2 실린더챔버에 더 많은 열을 공급하는 것을 고려할 수 있다. 그리고 이 챔버의 표면은 상기 제1 실린더챔버와 동일 방식으로 열교환기와 같은 기능을 갖게 된다. 동시에 상기 제2 실린더챔버 속으로 작동유체가 흘러 들어가기 때문에, 이에 상응하는 양이 상기 제1 챔버 밖으로 흐르게 될 것이다. 이러한 것이 발생하면 유체의 전체 부피는 증가하고, 제1 챔버는 가열이 되기 때문에, 우회통로를 통해 아래로 나오기 전에 이 챔버에 여전히 존재하는 유체의 부분에 더 많은 열을 공급하게 될 것이다. 단일 실린더 디자인에서 상기 제1 실린더챔버의 피스톤의 작동면적은 이 실린더의 방사상 내부벽과 상기 피스톤 스템의 방사상 외부벽 사이로 정의되기 때문에, 상기 제2 실린더챔버의 피스톤의 작동면적은 상기 피스톤 스템이 제1 챔버에서의 단면적의 부분으로 이루어지므로 상당하게 더 커지게 될 것이다.

제1 실린더챔버로부터 제2 실린더챔버로의 팽창과정 동안, 제2 실린더챔버가 열교환기와 접촉하지 않고 있을 때, 작동유체는 보통 비단열(non-adiabatic)에서 시작하고, 근사 단열(near-adiabatic)로 종결되는 폴리트로프 과정이 이루어진다. 특별한 경우에는 제1 챔버에서의 팽창과 함께 제2 챔버에서의 팽창은 또한 근사 단열(near-adiabatic)로 시작할 수 있다. 제1 챔버에서 팽창이 단열이라면 제2 챔버에서의 이후 팽창 또한 단열이 될 것이다.

얼마나 많은 양의 유체가 유입되는지 여부와 상기 제1 실린더챔버에서의 열교환 정도 여부에 따라, 열교환이 제1 실린더챔버 및 유체 사이에서 일어나기 때문에 n < γ의 경우, 제1 실린더챔버로부터 제2 실린더챔버로의 팽창의 시점을 정의하는 것이 정확하게 될 것이다. n ≒ γ에 의해 팽창의 종결점을 정의하는데 더 정확하게 될 것이고, 열교환이 상기 제2 팽창챔버에서 일어나지 않는다면, 그에 따라 단열로서 간주될 수 있다. 이 팽창과정은 일반화 될 수 있고, 시작할 때 n < γ이고, 종결시 n = γ에 도달하게 되는 거의 정확히 PVn을 따르는 과정으로 설명할 수 있다. 상기 제2 팽창챔버에 열공급이 있는 실시예에서 이 전체 팽창과정은 n < γ로 정의할 수 있다.

단일실린더 실시예에서 유체유입은 오직 피스톤이 상향으로 이동 중일때 일어나게 되고, 즉 그 유입은 유체가 피스톤이 다시 아래로 하강하는 중일 때 상기 제2 챔버에서 더 팽창되기 전에 결정이 된다. 다른 실시예로서 유체유입은 상기 제1 챔버에서 제2 챔버로 팽창이 있는 동안 계속 있을 수 있다. 이러한 실시예의 단점은 과정이 거의 단열로 종결되지 않도록 하게 하면, 일이 일어나지 않게 되는 약간의 사용가능한 잔여 열과 잔여 압력(열역학 제2법칙에 따름)이 있을 수 있는 것이다. 이러한 열과 압력은 사이클의 최종단계에서 냉각과정에 의해 제거되어야 한다. 복열장치(recuperator)는 이용가능한 잔여 열의 100 %를 결코 재순환할 수 없고, 복열장치 부분이 냉각이 된 후에 이용가능한 잔여 열과 에너지는 거의 냉각기에서 손실로써 사라진다. 그럼에도 불구하고, 주어진 시간에 그 과정에 열공급을 증가시키도록 할 수 있기 때문에 이 가능성을 가지는 것은 이점이 될 수 있다. 제한된 시간에 엔진에 증가된 부하와 같은 잔여 동력출력(power ouput)의 필요성이 있다면, 효율의 희생에서 유용할 수 있다. 이러한 점은 또한 2개 실린더 변형에도 유효하다.

단일 실린더 실시예에서, 제2 실린더챔버에서 팽창이 종료된 후에 거의 작동유체 전체가 제1 실린더챔버로부터 제2 실린더챔버로 이동을 하게 될 것이다. 이 지점에 피스톤은 하사점(BDC - Bottom Dead Centre)에서 다시 돌아오게 된다. 이 지점 부근에서 열기관 유출구 밸브가 개방이 되고, 작동유체는 잔여 열 및 잔여 압력의 제거를 위해 냉각과정으로 흐르게 된다. 냉각과정은 적어도 하나의 복열기 및 적어도 하나의 냉각기로 구성된다. 피스톤은 다시 상향으로 움직일 것이고, 동시에 새로운 비단열 팽창이 제1 실린더챔버에서 일어나게 되어, 피스톤은 압축을 하거나 더 정확히 냉각과정으로 제2 실린더챔버에 있는 잔여유체가 배출이 된다. 냉각기의 부피의 크기에 따라, 이 과정은 다른 방식으로 설명된다. 피스톤이 하사점(bottom position)에 가까워지는 구간에 부피변화는 상대적으로 거의 크랭크축의 피스톤 변화와 관련하여 거의 없고, 주어진 시간동안 등체적 냉각과정이 있고, 피스톤이 하사점 밖으로 충분히 멀리 이동할 때 그 지점에서 제2 실린더챔버에서의 부피는 눈에 띄게 변화하기 시작한다. 이러한 것이 일어날 때, 등체적에 따라 냉각과정에 더 이상 관여하지 않게 된다. 냉각과정의 용량에 따라, 냉각과정의 이 부분은 등온 또는 등압 압축의 특징을 가질 수 있다. 피스톤이 제2 실린더로부터 냉각과정으로 유체를 이동시킬 것이다. 모든 유체가 실린더의 외부 및 냉각과정 내로 이동이 될 때, 열기관 유출구 밸브는 다시 폐쇄가 되고, 거의 완전히 냉각과정으로 들어간 유체는 일정한 부피에서 더 냉각이 된다. 이러한 것에 기초하여 냉각과정은 다른 서브과정(sub-process)들의 조합의 특징을 가지게 되어 서비스과정들은 다시 등체적 냉각, 등압 냉각 또는 압축, 또한 냉각의 형태 또는 비단열압축인 등온 압축의 특징을 가진다.

냉각이 완결된 후에 작동유체는 다시 액체상태로 돌아갈 것이다. 냉각과정 유출구에 액체는 탱크 내부로 들어가게 되고, 예를 들어 다양한 장치에서 냉각수를 위한 팽창탱크에 같아지게 된다. 이것은 액체 완충제(buffer)로서 작용하고 상기 기관에서 이용가능한 충분한 작동유체가 되도록 공급이 되어 기관에 부여되는 부하가 변화하고, 필요한 작동유체의 유동율(flow rate)이 변화한다면 특히 중요하게 될 것이다.

작동유체가 완전히 냉각되어 액체 형태로 다시 돌아갔을 때, 폐회로 랜킨기관(closed-loop Rankine turbines)이기 때문에 다음 사이클에서 재사용될 수 있다. 본 발명은 또한 폐쇄 작용유체 순환(closed working-fluid circuit)으로 구성된다.

상기 기관은 여러 기계적 사이클이 작동유체가 완전한 열역학 사이클이 완료되기 전에 모두 완료된다. 이것은 이 기관이 항상 4행정(four-storke) 오토기관(Otto engine)과는 반대되는 동시 싸이클 과정으로 항상 작동하기 때문이다. 예를 들어, 제1 실린더 챔버에서 패창에 의해 항상 상부 실린더챔버로부터 유체가 배출되고 냉가과정으로 들어가게 될 것이다. 그와 같이, 유체가 상기 제1 실린더챔버 내로 유입되고 확장되는 것과 동시에 유체가 가열과정 내로 유입이 될 것이다.

선택적 팽창기로서, 터빈 솔루션이 언급된 피스톤 솔루션 대신에 사용될 수 있다. 팽창하는 동안 이것은 유체에 여분의 열을 추가할 수 있기 때문에 터빈 솔루션은 열교환 고정자(stator), 회전자(rotor) 및/또는 다른 내부 구성요소를 가진다.

기관의 윤활이 필요하다면, 일 실시에로 작동유체는 윤활제와 함께 혼합될 수 있고, 작동유체의 전달은 기관 주위에 윤활제의 전달을 위해 공급될 것이다. 다른 경우에서는 윤활제가 윤활채널(lubricating channel)에 의해 다른 위쳉 공급될 수 있다. 상기 기관은 또한 윤활제가 필요하지 않은 자가 윤활 물질(self-lubricating materials)로 만들어 질 수 있다. 이것은 열기관의 다양한 형태로 알려져 있다.

나아가, 다른 실시예에서 실린더와 크랭크 하우징/모터 하우징 사이에 완전한 봉합이 필요하지 않을 수 있고, 소량의 작동유체 및 가능한 윤활제가 혼합된 것이 기관의 다른 부분으로 새어 나가게 하도록 할 수 있다. 이것은 기관의 다양한 부분에서 작동유체의 축적에 반대 급부로 작용하게 되도록 배치가 된 시스템에 의해 누출을 조절할 수 있도록 하는 것을 예상할 수 있다. 이와 같은 기관을 만드는 이점은 작동유체와 혼합된 어느 윤활제든 크랭크축 베어링 및 또한 2행정 내부 연소기관에서와 같은 실린더 외부의 다른 구성요소에 관한 윤활제의 기능을 할 수 있다.

본 발명에 따른 열역학 사이클 및 열기관은 순차적인 열역학 과정의 특징적 구성을 공급한다. 그 사이클 및 그 순차적인 과정들은 일반화할 수 있고, 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 단열압축

2. 열 공급

3. n < γ의 경우, 제1 팽창챔버에서의 제1 폴리트로프 팽창(polytropic expansion) ,

4. n < γ 또는 n < γ에서 팽창을 시작하여 근사 단열(n ≒ γ)에서 종료하는 경우, 상기 제1 팽창챔버로부터 제2 팽창챔버로의 제2 폴리트로프 팽창(polytropic expansion)

5. 냉각

제1 측면에서, 본 발명은 더 구체적으로 열기관(heat engine) 또는 열펌프(heat pump)에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환(work-exchanging)에 관한 방법과 관련되는데 상기 방법과 그것의 부분과정이 본질적으로 가역적인 경우라면, 상기 작동유체의 열역학사이클(thermodynamic cycle)은 거의 정확히 PVn = 상수(constan)로 나타낼 수 있는데, 여기서 P는 압력, V는 부피이고, n은 단열지수(adiabatic index gamma,γ)를 갖는 작동유체의 폴리트로프 지수(polytropic index)로서, 상기 기관은 하나의 제1 부피변화챔버(volume change chamber)(150) 및 적어도 제2 부피변화챔버(151, 151')가 포함된 적어도 하나의 작동 기계장치(1)로 구성되는 열기관(heat engine) 또는 열펌프(heat pump)에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환(work-exchanging)에 관한 방법에 있어서, 적어도 이하에서 언급되는 일련의 단계로 구성된다.

a) n < γ 경우, 제1 부피변화 챔버에서 작동유체의 제1 폴리트로프 부피변화가 이루어지는 제1 부피변화 단계; 및

b) n < γ 또는 n < γ에서 부피변화가 시작되고 근사 단열(n ≒ γ)로 종결되는 경우, 제1 부피변화챔버에서 제2 부피변화챔버까지 작동유체의 적어도 하나의 제2 근사단열 또는 폴리트로프 부피변화가 이루어지는 제2 부피변화과정.

상기 방법은 이하에서 언급되는 일련의 단계로 구성될 수 있다.:

상기 작동유체의 단열부피변화가 일어나는 제1과정;

상기 작동유체와 열을 교환하는 제2과정:

상기 a) 단계에 따라 상기 제1 부피변화과정이 일어나는 제3과정;

상기 b) 단계에 따라 상기 제2 부피변화과정이 일어나는 제4과정;

상기 작동유체와 열을 교환하고, 그 열이동 방향이 상기 제2과정에서의 열이동 방향과 반대인 제5과정.

상기 방법은 일련하여 이하의 단계로 구성될 수 있다.

상기 작동유체의 단열압축이 일어나는 제1과정;

상기 작동유체에 열을 공급하는 제2과정;

상기 a) 단계에 따라 상기 제1 부피변화과정이 일어나고, 그 부피변화과정은 팽창으로 이루어진 제3과정;

상기 b) 단계에 따라 상기 제2 부피변화과정이 일어나고, 상기 부피변화과정(들)은 팽창으로 이루어지는 제4과정;

상기 작동유체를 냉각시키는 제5과정.

상기 단계는 더 특별히 일련하여 이하의 단계로 구성될 수 있다:

주입장치(injection unit)에 의해 저압에서 고압으로 작동유체를 펌핑(pumping)하는 것을 포함하는 상기 제1과정;

외부적으로 상기 부피변화챔버에서 처리되는 가열과정(heating course)에서 상기 작동유체에 열을 공급하는 것을 포함하는 상기 제2과정;

상기 제1 부피변화챔버에서 상기 작동유체를 유입 및 팽창하고 동시에 상기 제1 부피변화챔버와 열적으로 접촉하여 적어도 하나의 열교환기로부터 상기 유체에 열을 공급하는 상기 제3과정;

작동유체 유회통로를 통해 상기 제1 부피변화챔버에서 상기 제2 부피변화챔버까지 상기 작동유체를 팽창시키는 것을 적어도 포함하는 제4과정; 및

외부적으로 상기 팽창챔버에서 처리되는 냉각과정(cooling course)에서 작동유체를 냉각하는 것을 포함하는 상기 제5과정.

상기 제4과정은 특별히 작동유체 우회통로(bypass)를 통하여 상기 제1 부피변화챔버에서 제2 부피변화챔버까지 상기 작동유체가 팽창되는 것을 더 포함할 수 있다.

상기 제4과정은 제1 작동유체 우회통로(bypass)를 통해 상기 제1 부피변화챔버에서 제2 부피변화챔버까지 상기 작동유체가 팽창되는 제1단계, 제2 작동유체 우회통로를 통해 상기 제2 부피변화챔버에서 제3 부피변화챔버까지 상기 작동유체가 팽창되는 제2단계를 특별히 더 포함할 수 있다.

상기 제4과정은 추가적으로 상기 제1 부피변화챔버에 열적으로 접촉된 적어도 하나의 열교환기로부터 상기 작동유체의 전체 또는 일부분에 열을 더 공급하는 것이 포함될 수 있다.

상기 제4과정은 추가적으로 상기 제2 부피변화챔버와 열적으로 접촉된 적어도 하나의 열교환기로부터 상기 작동유체의 전체 또는 일부분에 열을 더 공급하는 것이 포함될 수 있다.

작동유체는 액체상태 및 기체상태 사이에서 번갈아 변화될 수 있다.

작동유체는 초기에 액체형태이고 충분한 고압에서 상기 제1 부피변화챔버 내부로 유입이 되어, 상기 액체형태는 유입과정 동안 유지가 된다.

작동유체가 액체 형태인 제1과정; 액체 형태인 제2과정; 완전히 또는 부분적으로 초임계 상태의 제2과정; 완전히 부분적으로 기체 형태인 제3과정; 실질적으로 기화가 되는 제3과정; 더 기화가 가능한 제4과정; 및 실질적으로 압축상태인 제5과정.

제2 측면에서, 본 발명은 더 구체적으로 열기관 또는 열펌프 배열에 관련이 되고, 배열과 그 서브 구성이 실질적으로 가역 기능을 위해 배열이 된다면, 적어도 부속변형장치(들)이 포함된 제1 부피변화챔버 및 적어도 하나의 제2 부피변화 챔버가 포함된 하나의 작동기계를 가지며, 여기에 적어도 하나의 열교환기가 열적으로 접촉하고 둘러싸게 되거나 적어도 제1 부피변화챔버에 의해 둘러싸이게 된다. 부피변화챔버는 적어도 하나의 작동유체 우회통로를 통해 유체전달방법(fluid-communicating manner)으로 연속적으로 연결된다. 작동유체 유입구를 갖는 제1 부피변화챔버 및 작동유체 유출구를 갖는 마지막 부피변화챔버는 작동유체 유입구, 작동유체 유출구 및 제1 부피변화 챔버로부터 및 적어도 제2 부피변화 챔버를 통해 작동유체 유입구로부터 작동유체 유출구로의 흐름이 방향에서 부피변화챔버를 통해 연속적으로 운반되는 적동유체의 연속적인 작동유체 흐름을 유지하기 위하여 동기화되는 밸브가 포함된 적어도 하나의 작동유체 우회통로의 특징을 갖는다.

상기 부피변화챔버는 연속적으로 증가 또는 감소 부피를 보여줄 수 있다.

부피변화챔버는 팽창챔버의 기능을 갖도록 배열될 수 있다.

작동유체 우회통로는 적어도 하나의 위회통로 밸프(bypass valve)에 의해 폐쇄될 수 있다.

상기 부피변화챔버와 각각의 우회통로 종단부 사이의 유체통로는 상기 부피변화챔버에서 작동유체가 변이하는 동안 변이과정(들)의 모든 위치에서 유지가 될 수 있다.

상기 부피변화챔버는 모두 작동유체의 부피변화과정이 이루어지도록 배치가 되어, 상기 작동유체는 거의 완전히 상기 제1 부피변화챔버로부터 제2 부피변화챔버로 이동을 하게 되고 상기 부피변화챔버의 변이 과정(들)은 기계적으로 동기화가 된다.

기계적 동기화(synchronisation)는 작동상태에서 연속적인 반대신호를 갖는 서로 다른 부피변화챔버 사이에서 변이를 유지하여, 제1 부피변화챔버의 부피는 제2 챔버의 부피가 반대로 감소할 때 증가하게 될 것이다.

다음으로 이하에서 언급되는 도면에 바람직한 실시예를 나타나도록 도시된다.

도 1은 서로 다른 폴리트로프 과정(polytropic processes)에서 작동의 차이를 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 2는 선택된 폴리트로프 과정에서 작동의 차이를 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 3a는 제1 팽창과정이 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 극단적 변이를 보여주는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 3b는 상기 팽창과정이 기관의 현실적 실시예에 더 근접하도록 일어나지만 상기 제1 팽창과정이 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 3c는 상기 팽창이 기관의 또 다른 현실적 실시예로서 진행되는 것을 나타내는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 4a는 제 1 팽창과정은 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 극단적 예로서 열의 이동흐름을 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 4b는 상기 팽창과정이 기관의 현실적 실시예에 더 근접하도록 일어나지만 상기 제 1 팽창과정이 실질적으로 등압하에 일어나게 되는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클에서 열의 이동흐름을 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)을 도시한 것이다.

도 4c는 본 발명의 설명에 따른 열역학 사이클의 또 다른 현실적 실시예에서 열의 이동흐름을 나타내는 P-V 선도(P-V diagram)를 도시한 것이다.

도 5는 선행기술인 스털링 엔진(Stirling engine)의 기본 구조를 도시한 것이다.

도 6a는 복동식(複動式)(double-acting) 실린더 및 제1 팽창 챔버(expansion chamber)와 열적으로 접촉된 열교환기(heat exchanger)를 포함하는 본 발명의 작동장치(확장기, expander)의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.

도 6b는 복동식 실린더 및 제1 팽창 챔버, 열적으로 접촉된 열교환기, 및 제 2 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 포함하는 본 발명의 상기 작동장치의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.

도 7a는 상기 제1 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가진 2개의 실린더 변이의 형태로써 본 발명의 상기 작동장치의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.

도 7b는 상기 제1 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기, 및 상기 제2 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가진 2개의 실린더 변이의 형태로써 본 발명의 상기 작동장치의 기본적인 전형적 실시예를 도시한 것이다.

도 8은 유일한 1개의 열원이 사용되는 본 발명에 따른 열기관의 전형적인 실시예를 도시한 것이다.

도 9는 서로 다른 온도에서 사용되는 2개의 열원(heat reservoir)으로 이루어진 본 발명에 따른 열기관의 전형적인 실시예를 도시한 것이다.

도 10은 크랭크(crank)/모터 덮개(motor housing)가 없는 열기관의 작동

장치를 도시한 것이다.

도 11은 크랭크/모터 덮개가 없는 열기관의 대표형상에 관한 투시도를 도시한 것이다.

도 12는 피스톤의 하사점에서의 상기 기관의 측면도를 도시한 것이다.

도 13은 상기 제1 (하부) 실린더 챔버에서의 팽창 및 제2 (상부) 실린터 챔버에서의 방출시 상기 기관의 측면도를 도시한 것이다.

도 14는 피스톤이 상사점 위치인 경우 상기 기관의 측면도를 도시한 것이다.

도 15는 하부로부터 상부 실린더 챔버까지 작동유체의 팽창시 기관의 측면도를 도시한 것이다.

도 16a는 선행기술 즉 이상적 ORC 싸이클에 따른 T-S 선도(T-S diagram,온도-엔트로피 선도)를 도시한 것이다.

도 16b는 본 발명에 따른 열역학 사이클에 관한 T-S 선도(T-S diagram)를 도시한 것이다.

도 17은 복동식 실린더 및 제1 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가지고 또한 제2 팽창챔버와 열적으로 접촉된 열교환기를 가지며 교대로 하나의 제2 단동식 근사단열 실린더에 연결되는 본 발명의 작동장치의 기본 모범 실시예를 도시한 것이다.

도 18은 도 17의 예와 같은 본 발명의 작동장치의 기본 모범 실시예를 도시한 것으로, 대신에 교대로 하나의 단동식 근사단열실린더에서 하나의 제3 팽창챔버에 연결이 되는 내부열교환기를 갖고 각각의 팽창챔버를 포함한 복동식 실린더를 갖는다.

도 19는 본 발명의 작동장치의 기본 모범 실시예를 도시한 것으로, 부속 피스톤을 갖는 오직 단동식 실린더는 2개의 작동챔버를 하나 및 동일 실린더 부피에서 정의하고, 바람직한 실시예로 적어도 하나의 열교환기 오직 상기 제1 작동챔버를 둘러싸게 된다.

서두에서 도 1 내지 4, 및 도 16b에 도시된 열역학 사이클의 설명에서 도 6 내지 15에 도시된 것처럼 열기관의 요소를 참조할 수 있다. 상기 기관 요소는 도 16 내지 15에서 표시된 참조번호에 의해 구별이 된다.

상기 열역학 사이클은 이하의 열역학 과정으로 이루어진다.

1. 단열 압축

2. 열 공급

n < γ인 경우, 제1 팽창챔버에서의 제 1 폴리트로프 팽창(polytropic expansion)

n < γ 또는 n < γ에서 팽창을 시작하여 근사 단열(n ≒ γ)에서 종료하는 경우, 제1 팽창 챔버로부터 제2 팽창챔버로의 제2 폴리트로프 팽창

5. 냉각

도 1은 2개의 부피 (VA 및 VB) 사이의 일반적인 폴리트로프 팽창과정(polytropic expansion process)을 도시한 것으로, 일과 다양한 순수 과정(단열, 등온, 등압 등) 사이의 일의 차이가 W1, W2, W3으로 표시된다. 추가적으로 도시된 수직선은 등체적 열교환을 나타낸다. 여기에서는 X 표시(O)로 표시된 시작점을 가진 열역학적 시스템으로 가정되고, 상기 팽창 과정은 상기 다양한 폴리트로프 과정에 의해 나타난다. 어떠한 종류의 과정이 진행되는지 여부에 따라 이루어지는 일이 상당하게 변화하는 것을 도표에서 확인할 수 있다.등온과정은 단열과정 보다 상당히 많은 일을 제공한다. 등압과정은 더욱더 상당한 양의 일을 제공한다. 상기 도표는 다양한 과정사이에서 이루어지는 일의 시각적 대비를 잘 보여준다.

도 2는 본 발명에서와 같이 등온으로 시작하여 근사 단열로 끝나는 가변적 폴리트로프 과정에 의해 이루어진 일(Work)을 나타낸다. 상기 혼합 및 단열 과정 사이의 차이(W2)가 일에 있어서 상당한 증가가 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 실제적 결과는 상기 팽창과정 동안 약간의 추가 열을 제공하지만 순수하게 등온으로 하는 것은 충분하지 않게 되어, 이 사이클을 관통하는 효과는 동일한 부피변화에서 증가하게 된다.

도 3a 내지 3c는 본 발명 따른 열역학 사이클의 여러 변형으로 다양한 단계를 도시한 P-V 선도(P-V diagrams)를 나타낸 것이다. 1 단계는 주입장치(injection unit)(2)에 의해 작동하게 되는 작동유체의 단열압축을 나타낸다. 이 과정에서 특정수준까지 작동유체의 압력이 높아지게 될 것이다. 2 단계는 이 시스템에서 각각 적어도 하나의 복열(復熱)장치(recuperator)(32, 35) 및 적어도 하나의 가열기(heater)(33)로부터 열공급이 이루어진다. 이 과정은 등압으로 실행될 수 있으나, 또한 선택되어진 설계된 용액에 따라 압력을 증가시키도록 기여될 수 있다. 3 단계에서 n < ?의 경우, ‘PVn = 상수’를 따르는 폴리트로프 팽창은 상기 팽창을 통해 열이 가해진다는 것을 의미한다. n = 0일 경우, 도 3a 및 3b에 도시되어 있다. 즉 근사 등압 과정(near-isobaric process)이다. 도 3c에서 이것은 폴리트로프 과정을 나타낸다. 4 단계에서는 가변적인 폴리트로프 팽창이 일어나고, 이전 단계와 동일한 n에서 시작하지만 n ? ? 에서 근사단열로 종결이 된다. 3 및 4단계는 어떠한 경우이든 본 발명과 관련하여 정확한 숫자는 아닌 폴리트로프 지수인 n의 차수로 고려된다. 하나의 실시예로, 상기 제2 팽창챔버에 열이 공급되어, 상기 과정은 마침내 n < ?을 만족하게 되고, 그 커브는 상기 도표에서 어느 정도 벗어나게 된다. 5 단계에서, 유출밸브(131)가 개방되면 압력 강하가 일어나고, 작동유체는 냉각과정(4)으로 진행되어, 주어진 시간에 상대적으로 일정한 부피에서 냉각이 일어난다. 6 단계는 압축 즉, 냉각과 함께 이루어지는 배출이 일어나고, 예를 들어 등온 및 등압으로 여기에서는 압축동안 어느 정도 압력이 증가되는 것으로 도시되는 근사 등온(near-isothermal) 및 등온에 도달하는 상기 P-V 선으로 도시되는 과정이다. 7 단계에서, 상기 유출밸브(131)는 폐쇄가 되고 냉각이 다시 일정한 부피하에서 계속된다. 전체적으로 상기 냉각 단계는 주어진 상황에서 등압 냉각과정으로 볼 수 있고, 상기 냉각 과정(4)은 특정 용량(capacity) 가지게 되고 그 과정은 빠르게 일어나게 된다. 사이클에서의 상기 냉각 과정(과정 5)은 그리하여 P-V 선도 상에 5, 6 및 7 단계로 표시가 된다.

추가적으로 노즐(nozzle)이라 불리는 작동유체 유입구(170)에서 드로틀 과정(throttling process)이라고도 불리는 초킹 과정(choking process)이 일어나는 것으로 가정할 수 있다. 이 과정은 사이클의 제2 과정 및 제3 과정 사이에서 일어나게 될 것이다. 이것의 선택적 과정은 사이클에서 특정되지 않는다. 왜냐하면 이전 또는 이후 과정에 특별한 영향을 미치지 않기 때문에 사이클의 상세내용으로 중요하지 않기 때문이다. 가열과정(2)에서 내부 압력이 상기 기관의 주어진 작동압력에 대비하여 상대적으로 고압인 가정상황에서, 도표에 나타나 있는 것처럼, Tm로틀 과정(throttling process)이 2 단계 및 3 단계 사이에 압력의 급격한 강하로 도시될 것이다. 주입압력이 선택된 상기 제1 팽창과정의 압력과 근접하게 되는 경우, 도 3b 및 3c에 나타나 있는 것처럼, 이 압력 강하는 표시가 되지 않을 것이고 도표의 이러한 부분은 도시 된 것처럼 수평을 유지하게 될 것이다.

도 4a 내지 4c는 사이클 및 묘사된 열기관에 일어나는 다양한 열교환 과정에 관한 다른 P-V 선도를 도시한 것이다. Qinl은 하나의 복열기(recuperator) 또는 그 이상의 복열기(32, 35) 및/또는 하나의 가열기 또는 그 이상의 차후의 가열기 부분(33)(사이클의 제2과정)으로부터 공급되는 열을 나타낸다. Qin2는 상기 제1 비단열, 선택적으로 폴리트로프 팽창과정(사이클의 제3과정)에 공급되는 열을 나타내는데, 열이 하부 실린더(102)의 열교환기로부터(선택적으로 2개 실린더 변형을 위한 제1 실린더(100a)의 열교환기로부터) 제1 실린더챔버(150) 내부에 있는 작동유체에 전송이 된다. Qin3은 상기 제2 비단열, 선택적으로 가변 폴리트로프, 선택적으로 폴리트로프 팽창과정(사이클의 제4과정)에 공급되는 열을 나타내는데, 작동유체에 더 많은 열이 공급되고, 아직 상기 제1 실린더챔버(150)의 외부로 나가지 않고, 유체가 제2 실린더챔버(151) 내부로 흐르고 여기에서 더 팽창하게 되기 때문에 선택적으로 상기 제2 실린더챔버(151)에 더 열이 공급된다. Qout1은 유출구 밸브(131)이 개방된 후에 즉시 냉각과정(4)에서 제거되는 열이다(사이클의 제5과정, 선도의 제5단계). Qout2는 배출/압축 단계에서 제거되는 열이고 Qout3은 유출구 밸브(131)이 폐쇄가 된 후에 냉각과정(4)에서 마지막 잔여열의 제거이다. 거의 모든 잔여 작동유체는 여기에서 배출되게 된다(사이클의 제5과정, 선도의 제7단계)

이 열기관은 펌프/콤프레서로 불리는 유입장치(2)와 같은 부속외부요소 및 시스템이 결합된 팽창기(expander)로 불리는 주장치/작동장치(1), 가열과정(3), 냉각과정(4), 액체탱크(5), 냉각유체를 위한 순환펌프(6), 냉각원(cold reservoir)(7), 가열된 유체를 위한 제1 및 제2 순환펌프(8, 10), 제1 및 제2 열원(9, 11) 및 유체장치(2)에 유체가 역으로 흐르는 걸 방지하는 제1 체크밸브(non-return valve)(12)로 구성된다. 도 8은 오직 하나의 열원(9)을 가진 기관의 실시예를 도시한 것으로, 열유체는 열원(9)으로부터 하부 실린더(102)의 열교환채널(heat exchange channel)(162)로 순환될 수 있고, 선택적으로 상기 제2 팽창챔버(151)이 가열이 되면 열교한기(260)을 통해서, 선택적으로 2개 실린더 변형을 위해 상기 제1 실린더(100a)에서 열교환기(160)을 통해서, 그리고 재가열을 위해 열원(9)에 회수되기 전에 가열과정(3)에서 가열기 부분(33)을 통해 순환될 수 있다. 도 9는 더 확장된 열공급 시스템을 가진 가열기의 제2 변형을 도시한 것으로 2개의 열원(9, 11)은 1개 대신에 사용되고, 고급열원(11)이 저급 열원(9)보다 상당히 더 높은 온도에서 열을 공급한다는 개념에서 제1 열원(9)은 저급 특성, 제2 열원(11)은 고급특성이 있다.

유입장치(2)를 포함하는 주장치(1), 가열과정(3), 냉각과정(4), 액체탱크(5), 순환펌프(6,8,10,), 관, 호스, 및 가능한 부속 조절장치는 모두 보통 실제 열기관으로 인식될 수 있는 요소들이다. 또한, 열기관은 이용가능한 열 및 냉원(cold reservoirs) 없이 기능할 수 없으므로 전체 시스템의 부분으로서 이것들을 포함한다.

가열과정(3)은 유입장치(2)로부터 유입구에 제2 체크밸브(non-return valve)(31)로 구성되고, 제1 가능한 제2 복열기(recuperator)(32, 35), 가열기(33) 및 마지막으로 예를 들어 쵸크밸브(choke valve) 또는 사이클링 밸브(cycling valve)와 같은 압력 쓰레스홀드 밸브(pressure threshold valve)일 수 있는 밸브(34)가 이를 뒤따른다.

도 6a 및 6b는 제2 팽창챔버(151)에 열교환기(260)가 존재 및 부존재하는 상기 기관의 작동장치에 관한 단순화된 원리의 선도를 도시한 것이다. 도 7a 및 7b는 상기 기관의 2개 실린더 변형에 관한 상응하는 원리의 선도를 도시한 것이다. 씰(seal)과 밸브(valve)와 같이 상세한 사항은 단순화를 위해 언급되어 있지 않으나, 그러한 것들이 존재하는 것으로 이해될 수 있다. 반면에 상기 기관의 바람직한 실시예에는 상세사항이 모두 도시되어 있다. 다음으로 따르는 것은 그 중에서도 도 6a, 6b, 7a, 7b 및 10은 참조로 되어 있다. 주장치는 용이하게 인식이 가능한 주요부품 즉, 실린더 어셈블리(100), 씰(113)을 포함하는 피스톤 어셈블리(11) 및 피스톤 스템(114), 피스톤 스템(114)과 연결막대 (116) 사이에 접속부로 기능하는 베어링을 포함하는 어댑터(adapter)(115), 크랭크축(crankshaft)(117), 우회통로(bypass) 및 캠 축(cam shaft)으로 도시된 밸브 작동기(valve actuators)(123, 132)을 포함하는 유출구 밸브(122, 131), 우회통로 선(1210, 열적 절연처리된 씰(thermally insulating seal)(이하 ‘써마 씰(thermo-seal)‘), 및 그 기술분야의 당업자가 필요에 따라 적용이 가능한 볼트(bolt), 나삿니가 있는 구멍(threaded holes), 베어링, 씰, 윤활 채널 등과 같은 다른 일반 구성요소와 디자인으로 구성이 된다. 기관 하우징(housing)/크랭크케이스(crankcase)는 본 발명과 관련이 없기 때문에 도시되어 있지 않고, 견고성, 크랭크축(117)의 윤활, 베어링, 조임부재(fastening) 등으로 보호되는 기관하우징은 적당하게 모두 동일한 것으로 가정한다.

도시되어 있지 않은 열기관의 실시예에서, 2행정 기관과 같이 소량의 윤활제 오일은 작동유체와 혼합된다. 2행정 기관고 같이 소량의 오일이 포함된 작동유체가 실린더(100)로부터 크랭크케이스 내부 아래로 새어 들어가게 되는 기회를 주게 되어, 크랭크축(117)의 윤활이 이루어질 것이다. 그리고 작은 누출이 문제를 만들지 않게 될 것이기 때문에 누출에 의한 문제를 피할 수 있다. 그리고 크랭크축(117) 베어링에 관한 분리된 윤활 매개물질을 사용하는 것을 피할 수 있고, 그렇지 않다면 다른 윤활 시스템을 필요로 하게된다. 이러한 점에서, 크랭크케이스 아래로 새어 들어가는 유체를 받을 수 있는 시스템이이고 다시 필터링을 위해 가능한 저장소로 순환할 수 있고 해당분야의 당업자가 작동유체 및 또한 윤활 오일의 완전한 상태를 필요로 하는 것을 고려할 수 있도록 측정할 수 있는 것으로 가정한다.

가장 단순한 경우로서, 실린더 어셈블리(100)는 단순한 기계요소로 구성된다. 그러나, 실린더(100)의 다양한 부분과 어셈블리의 다른 요소 사이의 열적 단열의 필요성 때문에 개개의 더 전문화된 구성요소로 구성된 어셈블리를 이용하는 것이 더 실제와 같을 것이다. 본 발명의 설명된 실시예에서 실린더 어셈블리는 탑실린더(top cylinder)(101), 바닥실린더(bottom cylinder)(102) 및 밸브블록(valve block)(103)의 3개의 주요 구성요소로 이루어진다. 탑실린더(101)는 또한 상부 실린더(upper cylinder)로 불리고 바닥실린더(102)는 하부 실린더(lower cylinder)로 불린다. 실린더 어셈블리(100)은 상기 기관에서 작동유체의 누설 방지를 위해 맞춰진 실(105)를 포함하는 그루브(groove)를 제공하는 것으로 나타내어지는 실링블록(sealing block)(104)이 더 포함될 수 있다. 실링블록(104)는 피스톤 스템(114)을 위한 바람직하게 원통형, 누설방지(leak-tight) 통로를 가진다. 써마씰(thermo-seal)(140)은 실린더 어셈블리(100)와 실링블록(104) 사이에 설치가 된다. 이것은 기관의 저부 및 주로 기관의 크랭크케이스/엔진 하우징(도면에 도시되지 않음)에서 직접적인 열의 누설을 제한하는 기능을 한다. 탑실린더(101)는 금속 및 비금속의 다양한 물질로 만들어질 수 있다. 일례로 알루미늄 또는 PEEK와 같은 플라스틱 물질로 만들어 질 수 있고, 좋은 열적 단열 특성을 가지는 강한 물질이다. 다른 실시예로 좋은 열전도성을 가진 물질로 만들어질 수 있어 열적 단열을 증가시키는 물질을 코팅을 한다.

바닥실린더(102)는 좋은 열전도체 특성을 가진 물질로 만들어진다. 예를 들어 알루미늄으로 만들어 질 수 있다. 좋은 미끄럼 표면으로 작용할 수 있는 강한 물질로 된 피스톤(110)과 접촉하는 실린더(100)의 내부 부분을 코팅하는 것은 더 이익이 된다. 예를 들어 크롬(chromium) 또는 카바이드(carbide) 물질로 코팅될 수 있다. 다른 것들 가운데 내부연소기관 및 콤프레서로 알려져 있다. 실린더(100)의 바닥부분은 직접적으로 피스톤과 미끄럼 접촉을 하지 않는다. 피스톤(100)은 예를 들어 바닥부분이 상부 부분보다 약간은 더 작은 직경을 갖는 방식으로 이루어질 수 있는데 예를 들어 실린더(100)에 의해 만들어지는 것과 접촉이 없을 만큼 충분한 수백분의 밀리미터(mm)보다도 더 작은 치수로 이루어진다. 난류발생(turbulence-promoting) 형태 또는 바닥실린더(102)의 바닥부분에서의 열교환을 상승시키는 다른 형태로 제공하는 것이 가능하여 이러한 것과 열교환이 일어나는 작동유체는 가능한 가장 효율적 방식으로 열을 제공한다. 난류발생 디자인은 단순하게 실린더(100)의 이러한 부분을 모래분사(sand-blasted)로 만들어 거친부분이 만들어 지게 한다. 게다가, 바닥실린더(102)의 외부부분은 채널(162)로 형성되고 실링케이싱(sealing casing)(161)에 맞게 되어 모두 소위 열유체(thermo-fulid)라 불리는 열교환 유체에 관한 열교환기(160)을 형성한다. 열유체는 바닥실린더(102)에 열을 방출하고, 교대로 하부 실린더챔버(150)의 작동유체에 열을 방출한다. 채널(1623)에 여기에서 도식으로 표시한 채녈벽에 상승하는 형태로 이루어진 난류발생수단(turbulence-promoting means)(163)을 공급한다.

밸브블록(103)은 하부 실린더챔버(102)의 연장되어 구성된다. 여기 적어도 하나의 밸브(122), 하나의 우회통로 채널(bypass channel)(124) 및 유입 노즐일 수 있는 작동유체 유입구(170)로 만들어진 공간이 있다. 밸브블록(103)은 기본적으로 하부 실린더(102)와 물리적으로 동일한 구성요소이다 그러나 분리된 어셈블리에서 밸브(1220와 노즐(170)을 배치할 수 있는 이점과 기타 유지에 있어 이점이 있기 때문에 분리된 구성요소/어셈블리로 실시가 된다. 밸브블록(103)은 기계화된 채널 및 가능한 적정 유체흐름과 또한 최소 작동을 하지 않는 부피에 적합한 그루브(groove)일 수 있다. 밸브블록(103)은 게다가 열유체에 관하여 분리된 과정으로 만들어질 수 있고, 그래서 하부 실린더(102)의 연장에서 열유체 및 그것과 접촉하는 작동유체 사이의 열교환기로서 또한 기능을 할 수 있다.

피스톤이라 불리는 피스톤 어셈블리(110)는 피스톤 헤드(piston head)(111), 슬라이eld 피스톤(sliding piston)(112), 씰(seals)(113), 피스톤 스템(piston stem)(114) 및 피스톤 스템 어댑터(piston stem adapter)(115)로 구성된다. 작동유체와 상기 기관 사이의 동력 전달의 기능 뿐만 아니라, 피스톤(110)은 또한 상부 실린더챔버(151) 및 하부 실린더챔버(150) 사이에 일반적 이동가능한 파티션(partition)으로 기능을 한다. 피스톤(110)은 탑실린더(101)가 단열물질로 이루어진 것과 같이 그것의 상부 및 하부의 축을 이루는 종단부, 피스톤 헤드(111) 사이에 열적으로 단열이 되어 있거나, 양질의 단열 특성을 갖는 다른 물질의 층으로 교대로 코팅된 물질로 만들어질 수 있다. 슬라이딩 피스톤(112)도 또한 다양한 물질로 만들어 질 수 있으나, 실린더(100)의 슬라이딩 표면에 대해 미끄러지기에 적당하여야 한다. 이러한 예로, 슬라이딩 피스톤(112)은 일반적으로 내부연소기관 및 다른 피스톤 기계에서와 같이 알루미늄 합금으로 만들어 질 수 있다. 슬라이딩 피스톤(112)은 다시 내부연소기관 및 다른 피스톤 기계에서와 같이 씰(113)을 위해 하나 또는 그 이상의 원형 원주의 그루브(circular circumferential grooves)로 만들어질 수 있다. 피스톤 어셈블리(110)은 추가하여 금속으로 만들어진 피스톤 스템(114)으로 구성된다. 이것은 질량과 무게를 최소화하는 파이프의 형태를 가진다. 스템(114)은 또한 고강 물질의 층으로 코팅될 수 있어서, 실링블록(104)에서 내부 표면에 대해 슬라이딩하기에 적합하다. 그 실링블록(104)은 피스톤 스템(114)을 위해 구멍(bore)을 가진다. 피스톤 스템(114)의 종단부에, 어댑터(adapter)(1150가 고정되어 있고, 주요 기능은 피스톤 스템(114)의 선형 운동을 변환시 결합된 베어링의 연결막대(116)의 회전운동으로 조정을 해준다. 이 어댑터(115)는 추가적으로 피스톤 스템(114)의 하나의 축을 이루는 종단부에 관하여 씰(seal)로서의 기능을 가진다. 따라서 전체 피스톤 어셈블리(110)가 폐쇄된 내부 부피를 갖도록 하고, 이 부피는 가능한 공기가 빠져서 진공상태를 이루도록 한다. 그리하여 전체 피스톤 어셈블리(110)에 바라던대로 향상된 열적으로 단열 효과를 제공한다.

실링블록(104)의 주요기능은 피스톤 스템(114)을 위한 통로 및 씰(seal)을 제공하는 것이어서 하부 실린더챔버(150) 내의 작동유체는 실링블록(104) 외부로 누설되지 않을 것이다. 일 실시예로 피스톤 스템(114)이 미끄러지게 되는 씰(105)을 교대로 제공하는 내부 그루브를 갖추어 만들어 질 수 있다. 다른 실시예로 피스톤 스템(114)은 외부 그루브 및 씰(도시 되지 않음)로 만들어 질 수 있는데, 슬라이딩 피스톤(112)과 동일 방식으로, 씰링블록(104) 통로가 4행정 Otto 기관(4 stroke Otto engine)에서의 실린더처럼 연속적인 미끄러짐 표면일 것이다. 씰링블록통로는 바람직하게 상기 제1 모범 실시예에서처럼 씰을 위해 그루브가 없는 원형의 형태를 가진다.

피스톤(110)의 선형운동은 결국 일반적인 내부연속기관과 같이 크랭크축(117)로 전달되어 회전운동을 이루게 될 것이고, 크랭크축(117)은 전기발전기(electric generator)와 같은 일수신기(work receiver)에 연결될 수 있어서 상기 기관은 에너지 생산 등을 위한 일을 발생시킬 수 있다.

상기 제1 실린더챔버(150)와 제2 실린더챔버(151) 사이에 작동유체가 통과하도록 하는 우회통로(120)가 형성되어 있다. 우회통로(120)는 밸브블록(103) 내 우회통로 채널(1240에서 시작되어 채널(121)을 경유하여 계속되어, 금속 파이프로 이루어져서, 우회통로(120)(및 채널(121)) 유출구(120b)가 제2 실린더챔버(151)에 배치된 탑실린더(101) 속으로 이어진다. 우회통로 종단부(120a, 120b)는 피스톤(110)의 실린더 어셈블리에서 극단적 위치 사이에서의 운동 사이에서 피스톤(110)에 의해 폐쇄될 수 없지만, 오직 우회통로 밸브(122)에 작동될 수 있는 방식으로 배치된다.

우회통로(120)는 작동유체가 제1 실린더 챔버(150)에서 제2 실린더 챔버(151)로 작동이 가능하도록 하는 통로로 구성되고, 이것은 하부 실린더 챔버(150) 보다 더 큰 총부피 및 더 큰 부피변화를 가진다. 즉, dV/ds가 바닥실린더(102)에 관한 것보다 탑실린더(101)와 관한 것보다 더 크게 되고 dV는 ds로 표시되는 피스톤(110)의 선형위치 변화에 대비하여 부피변화를 나타낸다. 부피의 차이는 피스톤스템(114)이 오직 바닥실린더(102)의 부피에 관한 것으로 이것의 미묘한 변동을 가진다. 그러므로 완전히 팽창된 탑실린더(101)의 부피는 행정(stroke) 및 피스톤(110)의 전체 종단면적에 의해 주어지게 되고, 반면에 바닥실린더(102)의 부피는 동일 행정에 의해 주어질 것이나 여기에서 피스톤 면적은 방사사의 내부 실린더 면적 및 방사상의 피스톤 스템 면적 사이의 차이에 제한된다.

가장 단순한 경우로 유입노즐(170)은 밸브블록(103)에서 기계구멍(machined hole)의 유체조임 방식(fluid-tight manner)으로 제작된 파이프 일 수 있다. 유체 흐름방향이 하부 실린더챔버(150)의 내부벽에 상대적으로 접선 방향으로 된 방식으로 고정될 수 있다. 이것은 상기 언급한 바와 같이 열전달율을 향상시키는데 기여한다.

상기 기관의 작동방식은 이하에 따른다:

액체탱크(5) 내부에 작동유체가 있고 제1 체크밸브(non-return valve)(12)를 경유하여 유입기 내로 유입되고, 제2 체크밸브(31)를 경유하여 가열과정(3)으로 더 펌핑이 된다. 가열과정(3)에서 작동유체는 열기관의 작동장치(1)로부터 배출된 완전히 팽창된 작동유체로부터 잔여 열의 일부를 받게되는 제1 복열기(32)를 처음에 통과한다. 나아가, 작동유체는 제1 가열기(33)을 통해 지나가고, 작동유체는 열원(9) 및 가열기(33) 사이의 열유체를 순환시키는 순환펌프(8) 내에서 제1 열원(9)로부터 열을 받는다. 게다가, 유체는 도 9에 도시된 다른 바람직한 실시예에서 제1 복열기에서 보다 더 높은 온도에서 잔여 열이 전달되는 제2 복열기(35)로부터 더 열을 받게 된다. 작동유체는 밸브(34)를 통해 흐르고 피스톤(110)이 하사점(bottom position)에 있을 때, 추가적으로 노즐(170)을 경유하여 제1 실린더챔버(150) 내부로 유입이 된다(도 12 참조).

바람직한 실시예로 노즐(170)의 전면 또는 후면에 위치한 다른 가열기(도시되어 있지 않음)를 통해 흐르는 작동유체가 도시되어 있지 않다.

작동유체의 전체 또는 일부분은 유입기 뒤에 기체 형태로서 들어가게 될 것이다. 제1 실린더챔버(150)에서 가열된 유체의 압력은 힘을 피스톤(110)의 하부표면에 가하게 될 것이고, 이것은 상향으로 밀게 될 것이다. 하부 실린더(102)는 각각의 순환펌프(8, 10)에서 열을 받고, 각각의 열유체 열원(9, 11) 및 하부실린더(102)에 외부에 형성되고 히팅 케이싱(161)에 둘러싸인 외부유체채널(162)에 의해 형성된 열교환기(160) 사이에서 열유체를 순환시킨다. 이 열의 부분은 하부실린더(102)의 실린더 벽을 통해 상사점(도 13 참조)을 향하여 운동하는 피스톤(110)에 의해 팽창하는 동안 작동유체에 열이 교환되고, 팽창하는 동안 잔여 열에너지를 공급한다(도 12 내지 15는 크랭크축이 화살표 방향이 나타내는 것처럼 시계방향으로 회전). 이것은 액체상태에서 작동유체가 가능한 팽창하는 동안 기화가 계속되도록 하는 것을 수반한다. 피스톤(110)이 상사점(top position) 부근에 있을 때(도 14), 우회통로 밸브(122)는 우회통로(120)를 통해 작동유체가 통과하도록 폐쇄상태에서 개방상태로 그것의 위치를 변화시키는 밸브 작동기(123)에 의해 개방이 된다. 그래서 피스톤(110)이 아래로 움직이는 중에 있을 때(도 15), 제1 실린더챔버(150)로부터 제2 실린더챔버(151)로 더 팽창이 된다. 실시예는 제2 실린더챔버(151)는 충분히 열적으로 기관의 나머지 부분 및 주변으로부터 단열이 되어 있어서, 여기에서 작동유체의 흐름으로부터 또는 흐름에 전달되는 열은 가치가 없는 것으로 본다. 제1 실린더챔버(150) 내의 작동유체에 추가적 팽창에서 제2 실린더챔버(151)의 벽으로부터 어느 정도의 열을 더 공급하여 여기에서 팽창은 비단열(non-adiabatic), 예를 들어 폴리트로프, 등온, 등압 또는 이들 가운데 어떤 것이 될 것이다. 우회통로(120)와 제2 실린더챔버(151)로 흐르는 작동유체의 부분에 더 이상의 여분의 열을 공급하지 않게 되고 여기에서의 팽창은 그리하여 단열 또는 적어도 근사 단열이 된다. 피스톤(1100이 다시 하사점(bottom position)에 도달했을 때(도 12), 작동유체의 팽창이 완성되고 유출구 밸브(131)는 그 위치를 변화시키는 부속 밸브작동기(132)에 의해 개방이 된다. 그리고 작동유체는 유출구(130)을 통해 제2 실린더챔버(151)의 밖으로 및 복열기(들)(32, 가능한 35 포함), 냉각기(41) 및 부속 관, 호스(hose) 및 다른 관련 구성요소로 구성된 열기관 냉각과정(4)으로 흐르기 시작한다. 크랭크축(117)의 회전운동 때문에 피스톤(110)은 상대적으로 하사점(bottom position) 부근에서 거의 운동하지 않을 것이고, 작동유체의 일부분은 제2 실린더챔버(151)의 부피 및 냉각과정(4)의 부피의 합에 의해 이루어진 전체부피로서 상대적으로 일정한 부피에서 냉각이 이루어질 것이다. 피스톤(110)이 다시 하사점(bottom position)으로부터 나오게 되어 상향으로 움직이게 될 때(도 13), 냉각과정(4)에서 작동유체의 나머지를 압축하게 될 것이고 냉각이 더 일어나게 될 것이다. 피스톤(110)이 다시 상사점(top position)에 도달했을 대, 거의 제2 실린더챔버(151)로부터 작동유체 거의 전체가 이동하게 되고 유출구 밸브(131)가 폐쇄되어 작동유체는 오직 냉각과정(4)에 존재하고 마지막에는 상대적으로 정지된 구성요소로 이루어져 있기 때문에 냉각과정(4)의 부피는 실질적으로 변화지 않을 것이어서 다시 일정한 부피에서 더 냉각이 된다. 냉각과정(4)에서 작동유체는 다시 순수 액체로 압축이 될 것이고 사이클은 완료가 된다.

과정에 이용가능한 작동유체가 충분할 수 있도록 액체탱크(5)는 냉각과정(4)의 유출구에 배열되고, 잉여 작동유체는 필요할 때 유입 또는 유출이 될 수 있다.

도 17은 복동식(複動式) 실린더 어셈블리(100a) 및 상기 제1 팽창챔버(150)와 열적으로 접촉하는 제1 열교환기(160), 또한 상기 제2 팽창챔버(1510과 열적으로 접촉하는 제2 열교환기(260), 순서대로 제2 단동식(單動式) 근사단열 실린더 어셈블리(100b) 내에서 제3 팽창챔버(151')에 연결되는 본 발명의 작동장치의 기본적 모범 실시예를 나타낸다. 여기에서 예를 들어 상기 제1 실린더(100a)의 피스톤(110a) 및 상기 제2 실린더(100b)의 상기 피스톤(110b)와 같이, 접미사 ‘a' 및 'b'로 나타내는 요소로써 명확히 표시가 된다.

도 18은 단동식(單動式) 근사단열 실린더(single-acting near-adiabatic cylinder) 내에 제3 팽창챔버(151')에 순서대로 연결되는 내부열교환기(160,260)를 갖고 있는 팽창챔버(150, 151)를 각각 포함하는 2개의 단일작동 실린더(100a, 100b)를 갖는 본 발명의 작동장치로서, 도 17에서의 예와 같은 의 기본적 모범 실시예를 나타낸다. 도 17에서 도시된 것과 같은 방식으로 접미사 ‘a', 'b' 및 'c'에 의해 나타내는 요소로써 명확히 표시가 된다.

도 19는 부수 피스톤(appurtenant piston)(11)을 포함하는 오직 하나의 단동식(單動式) 실린더 어셈블리(100)는 완전 동일한 실린더 부피로 2개의 실린더챔버(150, 151)로 정의되고, 열교환기(150)는 오직 상기 제1 작동챔버(150)을 둘러싸게 되는 본 발명의 작동기계의 매우 단순한 기본적 모범 실시예를 나타낸다. 여기에서 2개의 작동챔버(150, 151) 사이 접촉면은 사실상 종단부(120a, 120b)를 포함하는 사실상 작동유체 우회통로(bypass)(120)로 간주될 수 있다. 피스톤(110)은 상사점에서 우회통로 밸브(bypass valve)(122)로 기능을 할 것이고, 상기 제1 실린더 챔버 및 제2 실린더 챔버(150, 151) 사이의 연결을 중단시킨다.

참조

미국특허:

기타 출판물

“저급 및 중급 열원의 변환의 효율 향상을 위한 복합열원 유기매체 랜킨사이클(DORC)(A Dual-Source Organic Rankine Cycle (DORC) for Improved Efficiency in Conversion of Dual Low- and Mid-Grade Heat Sources)”, F. David doty 및 Siddarth Shevoor,Proceedings of the ASME 2009 3rd International Conference of Energy Sustainability, Doth Scientific, Inc, 2009년

Claims

열기관(heat engine) 또는 열펌프(heat pump)에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환(work-exchanging)에 관한 방법으로 상기 방법과 그것의 부분과정이 본질적으로 가역적인 경우라면, 상기 작동유체의 열역학사이클(thermodynamic cycle)은 거의 정확히 PVn = 상수로 나타낼 수 있는데, 여기서 P는 압력, V는 부피이고, n은 단열지수(adiabatic index gamma, γ)를 갖는 작동유체의 폴리트로프 지수(polytropic index)로서, 상기 기관은 하나의 제1 부피변화챔버(volume change chamber)(150) 및 적어도 제2 부피변화챔버(151, 151')가 포함된 적어도 하나의 작동 기계장치(1)로 구성되는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환에 관한 방법에 있어서,
n < γ의 경우, 제1 부피변화챔버(150)에서 상기 작동유체의 제1 폴리트로프 부피변화(polytropic volume change)가 일어나는 제1 부피변화 단계; 및
b) n < γ 또는, 부피변화가 n < γ에서 시작 및 근사 단열(near-aiabatic)(n ≒ γ)에서 종결되는 경우, 제1 부피변화챔버(150)에서 제2 부피변화챔버(151)까지 상기 작동유체의 적어도 하나의 제2 근사단열(near-adiabatic) 또는 폴리트로프 부피변화가 일어나는 제2 부피변화 단계;
를 적어도 포함하는 일련의 단계를 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법이,
작동유체의 단열부피 변화를 실행하는 제1과정;
작동유체와 열교환을 하는 제2과정;
상기 a) 단계에 따라 제1 부피 변화를 실행하는 제3과정;
상기 b) 단계에 따라 제1 부피 변화를 실행하는 제4과정; 및
작동유체와 열교환을 하고, 이 때 열 이동 방향이 제2 과정에의 열 이동 방향과 반대인 제 5과정;
을 포함하는 일련의 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체(working fluid)의 작동교환을 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법이,
작동유체의 단열압축을 실행하는 제1과정;
작동유체에 열이 공급되는 제2과정;
상기 a) 단계에 따라 상기 제 1 부피변화 과정이 일어나는 단계로서, 상기 부피변화 과정은 팽창으로 이루어지는 제3과정;
상기 b) 단계에 따라 상기 제2 부피변화 과정이 일어나는 단계로서, 상기 부피변화 과정(들)은 팽창으로 이루어지는 제4과정; 및
작동유체를 냉각시키는 제5과정;
을 포함하는 일련의 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제3항에 있어서,
상기 제1 과정이 주입장치(injection unit)(2)에 의해 저압에서 고압으로 작동유체를 펌핑(pumping)하는 것을 포함하고;
상기 제2 과정이 외부적으로 상기 부피변화챔버(150, 151, 151')에서 처리되는 가열과정(heating course)(3)에서 상기 작동유체에 열을 공급하는 것을 포함하고;
상기 제3 과정이 상기 제1 부피변화챔버(150)에서 상기 작동유체를 유입 및 팽창하고 동시에 상기 제1 부피변화챔버(150)와 열적으로 접촉하여 적어도 하나의 열교환기(160)로부터 상기 유체에 열을 공급하고;
상기 제4 과정이 작동유체 우회통로(120, 120')를 통해 상기 제1 부피변화챔버(150, 151)에서 상기 제2 부피변화챔버(151, 151')까지 상기 작동유체를 팽창시키는 것을 적어도 포함하고; 그리고
상기 제5 과정이 외부적으로 상기 팽창챔버(150, 151, 151')에서 처리되는 냉각과정(cooling course)(4)에서 작동유체를 냉각하는 것을 포함하는;
것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제4항에 있어서, 상기 제4과정은 특별히 작동유체 우회통로(bypass)(120)를 통하여 상기 제1 부피변화챔버(150)에서 제2 부피변화챔버(151)까지 상기 작동유체가 팽창되는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제4항에 있어서, 상기 제4과정이,
제1 작동유체 우회통로(bypass)(120)를 통해 상기 제1 부피변화챔버(150)에서 제2 부피변화챔버(151)까지 상기 작동유체가 팽창되는 제1단계; 및
제2 작동유체 우회통로(120')를 통해 상기 제2 부피변화챔버(151)에서 제3 부피변화챔버(151')까지 상기 작동유체가 팽창되는 제2단계;
를 특별히 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제2항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서, 상기 제4과정은 추가적으로 상기 제1 부피변화챔버(150)에 열적으로 접촉된 적어도 하나의 열교환기(160)로부터 상기 작동유체의 전체 또는 일부분에 열을 더 공급하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제2항 내지 제7항의 어느 한 항에 있어서, 상기 제4과정은 추가적으로 상기 제2 부피변화챔버(151)와 열적으로 접촉된 적어도 하나의 열교환기(260)로부터 상기 작동유체의 전체 또는 일부분에 열을 더 공급하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제1항 내지 제8항의 어느 한 항에 있어서, 상기 작동유체는 상기 액체 상태 및 기체 상태로 번갈아 변하는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제4항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서, 상기 제3과정에서의 작동유체가 충분할 정도의 고압에서 상기 제1 부피변화챔버(150)속으로 주입되므로 처음에는 상기 액체 상태를 이루고, 상기 주입 과정동안 상기 액체 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 작동유체가,
상기 제1과정에서 액체 형태;
상기 제2과정에서 액체 형태;
상기 제2과정에서 전체 또는 부분적으로 초임계 상태;
상기 제3과정에서 전체 또는 부분적 기체 형태;
상기 제3과정에서 상당한 양이 기화;
상기 제4과정에서 추가적으로 기화; 및
상기 제5과정에서 응결되는 것을 특징으로 하는 열기관 또는 열펌프에서의 열교환 및 작동유체의 작동교환을 위한 방법.
열기관 배열과 열 펌프 배열 및 그 부속성분들이 본질적으로 가역기능을 위해 배열된다면, 부속이동장치(들)(appurtenant displacement mechanism(s))(110, 110a, 110b, 110c)를 갖춘 제1 부피변화챔버(150) 및 적어도 하나의 제2 부피변화챔버(151, 151')를 포함하는 적어도 하나의 작동장치(1)를 갖고, 적어도 하나의 열교환기(160)가 열적으로 접촉 및 둘러싸지게 되거나 적어도 제1 부피변화챔버(150)에 의해 둘러싸지게 되고, 상기 부피변화챔버들(150, 151, 151')은 적어도 하나의 작동유체 우회통로(120, 120')를 통해 연속하여 유체전달방식(fluid-communication manner)으로 연결이 되고, 상기 제1 부피변화챔버(150)는 작동유체 유입구(inlet)(170) 및 나머지 부피변화챔버(151, 151')는 작동유체 유출구(outlet)(130)를 갖는 열기관설비(heat engine arrangement) 또는 열펌프설비(heat pump arrangement)에 있어서,
상기 작동유체 유입구(170), 상기 작동유체 유출구(130) 및 적어도 하나의 작동유체 우회통로(120, 120')는 상기 제1 부피변화챔버(150)로부터 적어도 상기 제2 부피변화챔버(151, 151')를 통하여 순차적인 작동유체 흐름을 유지하도록 동기화(同期化, synchronize)되는 밸브(34, 122, 131)를 포함하고, 상기 작동유체는 상기 작동유체 유입구(170)로부터 상기 작동유체 유출구(130)로의 방향으로 상기 부피변화챔버(150, 151, 151')를 통해 연속하여 운반되는 것을 특징으로 하는 열기관설비(heat engine arrangement) 또는 열펌프설비(heat pump arrangement).
제12항에 있어서, 상기 부피변화챔버(150, 151, 151')는 연속적으로 증가 또는 감소 부피를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 열기관설비 또는 열펌프설비.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 부피변화챔버(150, 151, 151')는 팽창챔버의 기능을 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 열기관설비 또는 열펌프설비.
제12항 내지 제14항의 어느 한 항에 있어서, 상기 작동유체 우회통로(120, 120')는 적어도 하나의 우회통로 밸브(bypass valve)(122)에 의해 폐쇄가 가능한 것을 특징으로 하는 열기관설비 또는 열펌프설비.
제15항에 있어서, 상기 부피변화챔버(150, 151, 151') 및 각각의 우회통로 종단부(bypass end portions (120a, 120b, 120a' , 120b') 사이의 유체흐름은 상기 부피변화챔버(150, 151, 151') 사이의 상기 작동유체가 이동하는 동안 상기 이동장치(들)(110, 110a, 110b, 110c)의 일정한 작동위치에서 유지가 되는 것을 특징으로 하는 열기관설비 또는 열펌프설비.
제12항 내지 제16항의 어느 한 항에 있어서, 상기 부피변화챔버들(150, 151, 151')은 작동유체가 부피변화 과정이 일어나도록 배열되어, 상기 작동유체는 거의 완전히 상기 제1 부피변화챔버(150)에서 상기 제2 부피변화챔버(151) 속으로 이동하고, 더 나아가 상기 부피변화챔버들((150, 151, 151')의 상기 이동장치(들)(110, 110a, 110b, 110c)은 기계적으로 동기화되는 것을 특징으로 하는 열기관설비 또는 열펌프설비.
제17항에 있어서, 작동상태의 전체 또는 일부분에서의 기계적 동기화는 연속적으로 반대 신호를 갖는 상기 다른 부피변화챔버(150, 151, 151') 사이에서의 이동을 유지시키게 되어, 제1 부피변화챔버(150)의 상기 부피는 제2 부피변화챔버(151)의 부피가 반대로 감소할 때 증가하게 되는 것을 특징으로 하는 열기관설비 또는 열펌프설비.