KR20170105607A - 전달-팽창-재생 연소 엔진 - Google Patents

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Abstract

전달-팽창 및 재생 방식의 연소 엔진(1)은 재생 열 교환기(5)의 고압 재생 라인(6)으로 가스를 전달하는 압축기(2)를 포함하고, 상기 고압 재생기 출구 라인(9)으로부터 상기 가스는 상기 가스를 과열시키는 열원(12)을 가지는 고압 재생기 출구 라인(9)을 통해 미리 가열된 상태로 나타나고, 이후 상기 가스는 계량 밸브 액추에이터(25)에 의해 동작되는 흡입 계량 밸브(24)에 의해 특히 팽창 실린더(13)와 팽창 피스톤(15)으로 형성된 전달-팽창 챔버(16) 내로 전달되고, 상기 가스는 상기 챔버(16)를 떠나 배기 밸브 액추에이터(32)에 의해 동작되는 배기 밸브(31)를 통과하여, 팽창 가스 배기 라인(26)을 통해 팽창한 후, 상기 재생 열 교환기(5)의 저압 재생 라인(7)에서 냉각된다.

Description

전달-팽창-재생 연소 엔진
본 발명은 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(heat engine)에 관한 것이다.
가장 일반적으로 사용되는 왕복 내연 엔진은 포지티브-점화 엔진(positive-ignition engine)의 경우 오토(Otto) 또는 보우 드 로하스(Beau de Rochas) 사이클을 수행하고, 또는 압축 점화 엔진의 경우 디젤 사이클을 수행한다. 특히 밀러(Miller) 사이클 또는 앳킨슨(Atkinson) 사이클과 같은 이들 사이클의 다양한 변형을 통해 보다 나은 효율성을 실현할 수 있다.
사람들은 기본적으로 4개의 피스톤 운동으로 사이클을 수행하는 4-행정 엔진과 단 2개의 피스톤 운동으로 사이클을 수행하는 2-행정 엔진을 구분한다.
대다수의 포지티브-점화 엔진은 최대 효율이 35%를 거의 초과하지 못한다. 자동차 또는 트럭에 설치된 고속 디젤 엔진은 40 내지 45% 정도의 피크 효율을 발휘한다. 매우 큰 실린더 용량의 저속 2-행정 디젤 엔진만이 최상의 동작점에서 50% 효율을 초과한다. 따라서, 적용 유형 또는 왕복 내연 엔진의 유형에 관계 없이, 연료의 에너지 함량의 1/2 내지 2/3가 낭비된다.
에너지 손실은 본질적으로 배기에서 방출되는 열, 및 냉각 시스템에 의해 소실되는 열로 구성된다. 또한 마찰로 인한 손실 및 펌핑으로 인한 손실은 주목할만한 에너지 손실을 구성하며 이들 손실이 또한 주변으로 열로 분산된다. 덜 중요하지만, 미 연소되거나 부분 연소된 연료도 또한 손실에 해당한다. 이러한 손실은 종래 기술의 왕복 내연 엔진의 설계에 내재된 다양한 한계에 기인한다.
우선, 이들 엔진에서, 한편으로는 연소 동안 가스에 의해 도달된 최대 온도, 및 다른 한편으로는 상기 엔진의 내부 벽의 온도, 즉 실린더, 실린더 헤드 및 피스톤 캡의 온도 사이에 큰 차이가 있다는 것이 주목된다. 이들 벽은 실제로는 냉각되는데, 그 이유는 한편으로는 이들 벽을 얇은 층으로 덮고 세그먼트(segment)와 피스톤을 윤활시키는 오일을 허용 가능한 온도로 유지할 필요가 있고, 다른 한편으로는 상기 벽들의 온도가 너무 높으면 상기 실린더에 들어가는 신선한 가스가 상기 실린더에 흡입할 때 즉시 과열되어서, 이에 의해 주어진 흡입 압력에서 상기 실린더 내로 도입될 수 있는 상기 가스의 질량이 제한되기 때문이다.
더욱이, 특히 포지티브-점화 엔진의 경우에, 신선한 가스가 흡입 단계에서 과도하게 가열되면, 연료와의 혼합물은 폭발하기 쉬워져서, 연소를 늦추거나 압축을 제한해야 한다. 이러한 두 시정 조치(corrective action)는 이러한 엔진의 효율을 감소시킨다. 더욱이, 흡입된 신선한 가스가 과도하게 가열되면, 연소 종료시 및 팽창 시작시의 온도가 보다 상승하여서 이 가스로부터 오염 물질인 질소 산화물이 더 많이 생성될 것이다. 따라서 종래의 왕복 내연 엔진의 내부 벽을 냉각시키는 것은 필수 불가결하다. 그러나, 상기 냉각은 에너지 및 효율의 주요 손실을 야기하여 연료 소비를 증가시킨다.
종래 기술의 왕복 내연 엔진의 설계에 내재된 다른 한계들 중에서, 신선한 가스의 흡입, 이들 가스의 연소, 및 이들 가스의 팽창이 동일한 챔버에서 일어난다는 것이 주목된다. 이제, 사람들은 신선한 가스를 수용하기 위해 보다 저온의 챔버를 요구하고, 상기 가스가 연소될 때 열 손실을 방지하기 위해 보다 고온의 챔버를 요구할 수 있다. 실제로는 그렇지 않다.
신선한 가스의 흡입, 미리-압축, 연소-팽창, 소기(evacuation) 또는 "배기"의 다른 단계들이 동일한 챔버 및 동일한 실린더에서 발생하므로 이러한 단계들은 동시에 발생할 수 없고 시간적으로 서로 따라가야 한다.
이러한 순차성은 각 사이클에서 간헐적인 연소가 개시되고 생성되어야 하는 것을 의미한다. 그리하여 각 발화를 위해 매우 짧은 시간 안에 적절한 발생을 위해 필요한 조건을 제공해야 한다. 이러한 조건은 엔진 동작 속력 및 부하에 따라 크게 다르다. 그리하여, 미연소 연료가 주로 생산될 수 있고, 피스톤을 정지시키지 않고 생성 시간에 연소해야 하므로 가변적인 부피에서 연소가 발생하고, 포지티브 점화 하에서 폭발하지 않고 발화하며 임의의 점화 스파크가 전혀 없어도 디젤의 모든 상황에서 연소해야 하는 큰 감도가 연료의 특성에 존재한다.
포지티브-점화 엔진의 경우, 실린더에 흡입되는 충전물이 가연성이라는 이유뿐만 아니라 예를 들어 3방 촉매 변환기에서 상기 충전물의 연소에 의해 생성되는 오염 물질을 후 처리해야 하는 이유 때문에 실린더에 흡입되는 충전물의 균질성 및 조성, 및 특히 공기-연료의 비율은 극히 중요하다고 언급할 수 있다.
또한 이러한 엔진은 압축비에 크게 의존한다는 것이 주목된다. 이론상, 이것은 가스의 최대 팽창을 달성하고 피스톤에서 최대 일(work)을 회수하기 위해 가능한 한 높아야 한다. 실제로, 연료의 폭발의 한계 및 엔진의 내부 벽들과 열 교환을 제어하는 것의 한계에 의해, 효율을 위해 이론적으로 이상적인 압축비보다 상당히 전에 엔진에 허용가능한 압축비를 설정한다.
오토 또는 디젤 사이클을 갖는 엔진의 연소는 매우 짧은 시간에 발생하기 때문에, 연소 챔버의 부피 변화 법칙을 지배하는 커넥팅 로드/크랭크 비에 대한 이들 엔진의 특정 감도가 주목된다. 여기서 연소는 일정한 부피에서 일어나지 않기 때문에, 연소의 일부는 피스톤의 상사점(top dead center) 전에 감소하는 부피에서 발생하여, 가스의 불필요하게 상승된 온도 및 열역학적 효율에 유해한 열 손실을 초래하는 한편, 상기 연소의 다른 부분은 피스톤의 상사점 후에 증가하는 부피에서 발생하여 이 연소의 일부가 팽창 동안 발생하여, 이 또한 상기 열역학적 효율에 유해하다.
오토 또는 디젤 사이클의 순차적 특성은 또한 충분한 공기/연료의 균질성을 보장하고 화염 면을 굴곡시켜 연소 챔버의 부피 내로 전파되는 것을 촉진하는데 필요한 난류를 발생시킨다는 것을 의미한다. 추가적인 펌핑 손실을 생성하는 것 외에도, 상기 난류는 실린더, 실린더 헤드 및 피스톤에 의해 제공된 벽과 고온 가스 사이의 열 교환을 증가시킨다. 이러한 방식으로, 상기 난류는 열 손실을 증가시켜 효율을 제한한다.
일단 연소된 가스가 팽창하여 일을 회수하면, 가스는 엔진이 잔여 열을 재사용함이 없이 대기로 소기된다.
종래 기술의 왕복 내연 엔진에 대한 대안으로서, 브레이톤(Brayton) 사이클의 원심 터빈 엔진은 재생을 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 엔진의 가장 진화된 형태는 중간 냉각기를 갖는 적어도 2개의 압축기 스테이지를 제공하는 것이 확실하다. 이러한 구성은 재생 열 교환기의 최상의 동작을 가능하게 하며, 이 열 교환기는 예를 들어 특정 군용 선박용으로 설계된 롤스로이스(Rolls-Royce) WR-21 엔진에서 구현된다. 이 엔진의 효율은 40 퍼센트를 초과한다.
이들 엔진은 더 이상 순차적인 것이 아니고 연속적인 연소를 갖는 장점을 갖고, 또 공간을 분리하고 열역학 사이클의 다른 단계들, 즉, 흡입, 압축, 연소, 팽창, 및 배기를 전용 요소들에 할당하는 장점을 갖는다.
불행히도, 결국 재생을 갖는 이 브레이톤 사이클 엔진은 포지티브-점화 엔진의 효율보다 약간만 더 나은 효율을 제공한다. 이 효율은 고속 디젤 엔진의 효율과 비슷하며, 실린더 용량이 매우 큰 저속 2-행정 디젤 엔진의 효율보다 더 낮다. 더욱이, 재생을 갖는 브레이톤 사이클 엔진의 에너지 효율은 최상의 효율을 생산하는 동력 범위(power range) 밖에서는 급격히 저하한다. 더욱더 응답 시간이 동력 과도 상태에서는 느리다. 이러한 이유로, 그 응용 분야는 제한적이다.
재생을 갖는 브레이톤 사이클 엔진의 또 다른 잘 알려진 한계는 원심 압축기와 이를 구성하는 터빈의 효율에 크게 의존한다는 것이다. 현재의 기술과 공학 상태에서 이러한 구성 요소들의 효율은 제한되고, 나머지 진행 마진은 이들 엔진을 디젤 사이클의 왕복 엔진과 경쟁할 수 있게 하는 임의의 기술적인 도약을 단기간에 제안하지 않는다.
비록 그렇다 하더라도, 계산에 따르면, 구동 터빈, 및 중간 냉각기를 갖는 2개의 스테이지의 터보 압축기가 장착된, 재생을 갖는 브레이톤 사이클 엔진은 이론적으로 50%를 초과하는 매우 높은 총 효율을 나타낼 수 있다는 것을 보여준다. 그렇게 하기 위해서는 원심 압축기와 이를 구성하는 터빈의 효율이 85 내지 90% 정도이어야 하는 한편, 재생 열 교환기의 효율은 95% 정도가 되어야 할 것이 요구된다. 이러한 요소들의 효율을 더 높이면 최종 효율은 단지 1,000℃ 내지 1,100℃ 정도의 연소 온도에서 70% 이상으로 상승할 수 있다.
불행히도, 이러한 가스 압축 및 팽창 효율은 사실상 원심 터빈 및 압축기의 도달 범위를 벗어난다. 비록 그렇다 하더라도, 부피 효율(volumetric efficiency)이 충분하고 피스톤 기계들이 생성하는 펌핑 및 마찰 손실이 충분히 낮다고 가정하면, 이들 효율은 이론적으로 피스톤 기계들의 도달 범위 내에 있다. 역류(counter-current) 온도의 교환기에 대해 언급된 필요한 효율도 또한 도달 범위 내에 있다.
상기 문제는 기본적으로 팽창 실린더의 내부 벽들의 온도가 1000℃ 이상인 연소 가스의 매우 높은 온도에 가까운 팽창 실린더를 설계하는 것에 있다. 상기 실린더는 내구성, 기밀성(tight) 및 기계적 신뢰성이 유지되어야 한다.
첫 번째 문제는 현재의 기술 수준에서 이러한 수단이 존재하지 않기 때문에 상기 실린더와 상기 실린더와 협력하는 피스톤 사이의 기밀 수단이다. 이러한 기밀 수단을 제조하는 것은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 목적 중 하나이다. 이러한 엔진은 또한 원심 터빈의 매우 높은 온도에 대한 내열성과 우수한 기밀성을 팽창 실린더에 제공하려는 것이다.
따라서 이 첫 번째 필수 불가결한 특성을 갖게 됨으로써, 상기 엔진은, 원심 압축기 및 터빈을 더 이상 갖지 않고 부피 압축기 및 왕복 운동 피스톤을 갖는 팽창 실린더를 갖는, 재생을 갖는 브레이톤 사이클의 등가물을 구현할 수 있다.
또한, 매우 높은 온도와 양립할 수 있는 실린더를 설계하는 것 이외에, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은 상기 실린더의 충전(filling) 및 배출(emptying)을 제어하여 일을 생산하는, 전달과 팽창의 위상을 보다 잘 이용하는 것을 제안하는 것으로 이해된다.
본 발명의 결과는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진이다:
Figure pct00001
열 엔진의 흡입-압축, 연소 및 팽창-배기의 단계들이 분리되어, 필요에 따라 특정 기계적 및 열적 부하를 지원할 수 있도록 설계되고 치수 결정된 전용 요소들에 위임된다;
Figure pct00002
팽창된 가스의 잔류 열이 최소 열 손실을 가져오는 보충 일을 생산하기 위해 대부분 재사용된다;
Figure pct00003
팽창 실린더의 벽들의 온도가 벽들이 팽창되기 전에 고온 가스의 온도에 가까워서 열 손실이 최소화된다;
Figure pct00004
열 엔진의 주요 구성 요소들이 냉각을 필요로 하지 않아서 열 손실이 최소화된다;
Figure pct00005
열 엔진의 커넥팅 로드/크랭크 비가 효율에 영향을 미치지 않는다;
Figure pct00006
열 엔진의 기하학적 부피 비가 효율에 영향을 미치지 않고, 효율은 무한 부피 비에 의해 생성된 것에 가깝다;
Figure pct00007
열 엔진의 공기/연료 혼합물의 연소는 화학양론에 비해 공기가 과잉이고 넓은 농후 범위에서 발생할 수 있다;
Figure pct00008
열 엔진의 연소가 연속적이고 연소 챔버의 3차원 공간에서 화염 면이 전파되는 것에 의존하지 않는다;
Figure pct00009
연소는 - 연속적이고 공기 과잉으로 실현되는 것 이외에 - 종래의 왕복 연소 엔진에서 발견되는 것보다 더 낮은 최대 온도에서 발생하고, 상기 연소를 실현하기 위한 조건들을 결합하면, 소스(source)에서 오염 물질을 거의 생성하지 못하게 할 수 있어, 산화 촉매, 3방 촉매 변환기, 또는 질소 산화물을 후처리하거나 또는 입자를 여과하기 위한 임의의 장치에 대한 필요성을 감소시키거나 제거한다;
Figure pct00010
열 엔진은 내부 연소 또는 외부 연소를 할 수 있고, 외부 연소의 경우 연소는 태양열, 핵 또는 임의의 다른 원천(origin)의 충분히 강한 열원으로 대체될 수 있다;
Figure pct00011
열 엔진은 임의의 종류의 액체 연료, 예를 들어, 가스 오일, 임의의 등급의 가솔린, 에탄올 또는 임의의 유형의 알코올, 또는 액화 석유 가스, 메탄 또는 수소와 같은 임의의 가스 연료를 소비할 수 있다;
Figure pct00012
열 엔진은 특히 외부 연소인 경우, 석탄, 목재 또는 임의의 가연성 고체 폐기물을 소비할 수 있다;
Figure pct00013
높은 에너지 효율이 발생하는 열 엔진의 속력 및 동력의 범위는 터빈 엔진의 것보다 상당히 더 크다;
Figure pct00014
열 엔진의 과도 상태의 부하 및/또는 속력 응답이 터빈 엔진의 것보다 더 크다;
Figure pct00015
팽창 실린더의 최대 압력 및 최대 압력 구배가 상기 종래의 엔진의 실린더의 것보다 훨씬 더 낮은 것으로 인해 및 팽창 가스가 주변으로 배출될 때 팽창 가스의 압력이 더 낮기 때문에, 포지티브-점화 방식이든 또는 디젤 방식이든 상관 없이 열 엔진의 음향 및 진동 방출이 종래의 왕복 내연 엔진의 것보다 더 낮다;
Figure pct00016
열 엔진의 효율은 단위 실린더 용량에 거의 의존하지 않고, 열 엔진의 신뢰성과 효율은 임의의 크기 또는 높거나 낮은 동력과 실제로 독립적이다;
Figure pct00017
열을 일로 변환하는 열 엔진의 효율은 원리에 관계 없이 종래의 왕복 내연 엔진의 효율보다 훨씬 더 높아서, 동일한 일에 대해 상기 종래의 엔진의 것보다 제공되는 연료 소비가 더 적고, 관련된 이산화탄소의 방출량도 더 적다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은 자동차, 오토바이, 트럭, 기관차, 선박, 건설, 취급, 리프팅 또는 군용 기계 또는 임의의 다른 자동 기계와 같이 변위 및/또는 이동을 위해 구동 소스(driving source)를 필요로 하는 임의의 기계 또는 장치에 적용 가능한 것으로 이해된다. 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은 발전기, 유압 펌프, 또는 이동 소스를 필요로 하는 임의의 산업용 또는 가정용 기계와 같은 고정 장치에 필요한 구동 동력을 또한 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 이러한 예시적인 응용은 비-제한적인 예로서 주어진다.
본 발명의 다른 특징들은 본 명세서 및 독립 청구항을 직접 또는 간접 인용하는 종속 청구항에 제시되어 있다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(heat engine)은,
Figure pct00018
압축기 입구 라인을 통해 특정 압력에서 가스를 흡입하고 압축기 출구 라인에서 더 높은 압력으로 상기 가스를 토출할 수 있는 적어도 하나의 압축기;
Figure pct00019
적어도 하나의 고압 재생 라인과 적어도 하나의 저압 재생 라인을 포함하는 적어도 하나의 재생 열 교환기로서, 상기 고압 라인의 제1 단부는 상기 압축기 출구 라인에 연결되는 반면, 상기 저압 재생 라인에서 순환하는 상기 가스는 상기 고압 재생 라인에서 순환하는 상기 가스에 열의 일부를 전달할 수 있는, 상기 적어도 하나의 재생 열 교환기;
Figure pct00020
상기 고압 재생 라인을 포함하는 제2 단부에 연결된 제1 단부를 갖는 적어도 하나의 재생기 고압 출구 라인;
Figure pct00021
상기 재생기 고압 출구 라인의 임의의 주어진 위치에 배치되고 상기 라인 내에서 순환하는 가스를 과열시킬 수 있는 적어도 하나의 열원(heat source);
Figure pct00022
적어도 하나의 팽창 실린더로서, 상기 적어도 하나의 팽창 실린더의 적어도 하나의 단부는 상기 실린더에 통합되거나 상기 실린더에 부착된 팽창 실린더 헤드에 의해 폐쇄되고, 상기 실린더는 팽창 피스톤을 수용하고, 상기 실린더는 상기 팽창 피스톤과 함께 가변 부피의 전달-팽창 챔버를 형성하도록 기밀성(tightness)을 생성하고, 상기 피스톤은 상기 실린더 내에서 이동할 수 있고, 상기 피스톤이 상기 팽창 실린더 내에서 왕복 운동을 수행할 때 상기 피스톤은 동력 출력 샤프트에 연속적인 회전 운동을 부여하기 위해 기계적 전달 수단에 의해 상기 동력 출력 샤프트에 직접 또는 간접 연결되는, 상기 적어도 하나의 팽창 실린더;
Figure pct00023
상기 재생기 고압 출구 라인을 포함하는 제2 단부에 연결된 제1 단부를 갖는 적어도 하나의 고온 가스 흡입 라인으로서, 상기 흡입 라인은 상기 고온 가스 흡입 라인의 입구를 통해 상기 팽창 실린더 내로 배출(empty)하도록 상기 팽창 실린더 헤드를 통과하는 제2 단부를 구비하는, 상기 적어도 하나의 고온 가스 흡입 라인;
Figure pct00024
계량 밸브 액추에이터(metering valve actuator)에 의해 동작되며 상기 고온 가스 흡입 라인의 상기 입구를 개방 또는 차단할 수 있는 적어도 하나의 흡입 계량 밸브;
Figure pct00025
적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인으로서, 상기 적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인은 상기 팽창 가스 배기 라인의 입구를 통해 상기 팽창 실린더 내로 배출하도록 상기 팽창 실린더 헤드를 통과하는 제1 단부를 구비하고, 상기 배기 라인은 상기 저압 재생 라인을 포함하는 제1 단부에 연결된 제2 단부를 또한 구비하는, 상기 적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인;
Figure pct00026
배기 밸브 액추에이터에 의해 동작되며 상기 팽창 가스 배기 라인의 상기 입구를 개방 또는 차단할 수 있는 하나 이상의 배기 밸브; 및
Figure pct00027
상기 저압 재생 라인을 포함하는 제2 단부의 연장부에 배치되거나, 또는 상기 제2 단부와 단일 부품을 구성하도록 제2 단부와 결합된 적어도 하나의 엔진 출구 라인을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압축기가 저압 압축기로 구성된 2-스테이지이고, 상기 저압 압축기의 출구는 중간 압축기 냉각기를 거쳐 고압 압축기의 입구에 연결되는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 동력 출력 샤프트가 상기 압축기를 회전 구동시키는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압축기 입구 라인이, 상기 가스를 흡입하는 상기 압축기에 의해 형성된 흡입-운반 챔버에 상기 가스가 흡입되기 전에, 상기 라인에서 순환하는 상기 가스 내로 액체 물을 분무할 수 있는 물 분사기를 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압축기는 물 분사기가 배출하는 흡입-운반 챔버를 형성하고, 상기 물 분사기는, 상기 가스가 상기 압축기에 의해 상기 압축기 입구 라인을 통해 흡입된 후, 상기 압축기 내로 흡입된 상기 가스 내로 액체 물을 분무할 수 있는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압축기 출구 라인이 공기/물 분리기를 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 엔진 출구 라인이 응축 가스 건조기를 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압축기가 압축기 흡입 계량 밸브 액추에이터에 의해 개방과 폐쇄가 제어되는 압축기 흡입 계량 밸브를 구비하고, 상기 밸브는 상기 압축기에 의해 형성된 흡입-운반 챔버와 상기 압축기 입구 라인 사이를 개방 및 연결시킬 수 있는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전열 팽창 및 재생을 갖는 열 엔진은, 상기 고압 재생 라인과 상기 저압 재생 라인이 그 길이의 전부 또는 일부에 걸쳐 나란히 배치되고, 상기 고압 재생 라인에 포함된 상기 가스의 순환 방향은 상기 저압 재생 라인에 포함된 상기 가스의 순환 방향과 반대이며, 2개의 상기 라인은 역류(counterflow) 열 교환기를 구성하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달 팽창 및 재생을 갖는 열 엔진은, 상기 열원이 연료 분사기와 연소 챔버로 구성된 버너인 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전열 팽창 및 재생을 갖는 열 엔진은, 상기 열원이, 범용 열원으로부터 열을 추출하여 상기 열을 상기 고압 재생기 라인에서 순환하는 상기 가스에 직접 전달하거나 또는 2차 열 수송 회로를 통해 전달하는 1차 열 교환기로 구성된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 팽창 실린더 헤드가 상기 전달-팽창 챔버와 상기 고온 가스 흡입 라인을 연결하는 라인을 차단 또는 개방하는 압력 등화 게이트(pressure equalizing gate)를 구비하고, 상기 전달-팽창 챔버에 나타나는 압력이 상기 고온 가스 흡입 라인에 나타나는 압력보다 더 큰 경우 상기 게이트가 개방되어 상기 가스가 상기 챔버로부터 상기 라인으로 통과하고, 그렇지 않은 경우에는 상기 게이트는 폐쇄되어 상기 가스가 상기 라인으로부터 상기 게이트를 통해 상기 챔버로 통과할 수 없는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 전달-팽창 챔버가 적어도 하나의 온도 유지 연료 분사기를 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전열 팽창 및 재생을 갖는 열 엔진은, 상기 전달-팽창 챔버가 적어도 하나의 NOx 방지 물 분사기를 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 팽창 피스톤이 상기 팽창 실린더 헤드를 통과하는 팽창 피스톤 로드에 의해 상기 기계적 전달 수단에 연결되고, 로드 밀봉 수단에 의해 상기 로드와 상기 실린더 헤드 사이에서 밀봉이 달성되는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 로드 밀봉 수단이 상부 로드 밀봉부와 하부 로드 밀봉부를 포함하고, 상기 상부 로드 밀봉부와 하부 로드 밀봉부는 2개의 상기 밀봉부 사이에 오일 순환 챔버를 형성하도록 충분히 이격되고, 냉각 및 윤활 오일 공급 라인은 상기 오일 순환 챔버 내로 배출하고, 냉각 및 윤활 오일 출구 라인은 상기 오일 순환 챔버로부터 나오는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 로드 밀봉 수단이 상기 오일 순환 챔버의 내부 또는 외부에 수용된 로드 안내 칼라(rod guide collar)와 협력하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 기계식 전달 수단이 커넥팅 로드로 구성되고, 상기 커넥팅 로드의 단부들 중 하나의 단부는 상기 팽창 피스톤에 직접 또는 간접 관절식으로 연결되고, 타단부는 상기 동력 출력 샤프트와 통합된 크랭크 주위에 관절식으로 연결된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 흡입 계량 밸브 및/또는 상기 배기 밸브가 상기 팽창 실린더 헤드에 수용된 밸브 케이지(cage) 내에 직접 또는 간접 안내되고, 상기 케이지는 상기 밸브가 안착하여 밀봉을 형성할 수 있는 안착부(seat)를 구비하는 한편, 상기 밸브를 안내하는 상기 밸브 케이지 부분 및/또는 상기 안착부는 열 전달 유체가 순환하는 밸브 냉각 회로에 의해 냉각되는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 팽창 피스톤이 피스톤 밀봉 수단을 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 피스톤 밀봉 수단이,
Figure pct00028
내부 원통형 링(ring) 표면, 외부 원통형 링 표면, 및 2개의 축방향 링 표면을 갖는 적어도 하나의 연속 천공 링(perforated ring)으로서, 상기 링은 상기 팽창 피스톤 내에 배열된 적어도 하나의 환형 홈(annular groove)에 수용되는 한편, 상기 링은 상기 환형 홈으로부터 빠져 나가지 않고 상기 환형 홈에서 반경방향으로 이동할 수 있는, 상기 적어도 하나의 연속 천공 링;
Figure pct00029
상기 환형 홈이, 상기 연속 천공 링과 함께, 전달 회로에 의해 가압 유체 공급원에 연결된 압력 분배 챔버를 형성하도록, 각 축방향 링 표면과 상기 환형 홈 사이에 밀봉부를 생성하는 링 밀봉 수단;
Figure pct00030
반경방향 두께에서 상기 연속 천공 링을 완전히 관통하는 적어도 하나의 교정된 오리피스(calibrated orifice); 및
Figure pct00031
상기 연속 천공 링의 적어도 하나의 에어 쿠션 부양 표면(air cushion floating surface)을 포함하고, 상기 부양 표면은 상기 압력 분배 챔버와 반대쪽에 배열된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 피스톤 밀봉 수단이 상기 외부 원통형 링 표면에 중공 형성되고 축방향으로 나타나지 않는 적어도 하나의 역압 공동(counterpressure cavity)을 포함하여, 상기 공동이 점유하지 않는 상기 외부 원통형 링 표의 표면은 상기 에어 쿠션 부양 표면을 구성하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 피스톤 밀봉 수단이 상기 외부 원통형 링 표면의 축방향 길이에 더 또는 덜 중심을 두고 약간의 깊이를 갖는 역압 홈으로 구성된 역압 공동을 포함하고, 상기 역압 홈은 상기 외부 원통형 링 표면의 전체 원주 상에 형성된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 교정된 오리피스가 상기 역압 공동 내로 들어가는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 교정된 오리피스가 상기 역압 공동의 바닥에 중공 형성된 압력 분포 공동에 의해 상기 역압 공동 내로 들어가는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압력 분배 공동이 상기 외부 원통형 링 표면의 축방향 길이에 더 또는 덜 중심을 둔 압력 분배 홈으로 구성되고, 상기 압력 분배 홈은 상기 외부 원통형 링 표면의 전체 원주에 형성된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 역압 공동을 수용하는 상기 외부 원통형 링 표면 또는 상기 내부 원통형 링 표면의 2개의 축방향 에지(edge)들 중 적어도 하나의 에지가 에지 판의 간극(edge plating clearance)에서 종료되는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 링 밀봉 수단이 한편으로는 상기 연속 천공 링과 통합된 링 밀봉 립(ring sealing lip)으로 구성되고, 다른 한편으로는 상기 환형 홈의 내부 또는 림(rim)과 기밀 접촉을 수립하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 링 밀봉 수단이 상기 연속 천공 링의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부 부근에 배치된 얇은 축방향 부분으로 구성되고, 상기 부분은 상기 환형 홈과 기밀 방식으로 통합되고, 상기 연속 천공 링의 직경이 상기 홈에 대해 증가하거나 감소할 수 있을 만큼 충분히 가요성인 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 연속 천공 링이 가요성 재료로 만들어지고, 상기 링의 직경을 감소시키는 경향이 있는 적어도 하나의 원주방향 환형 스프링을 포함하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압력 분배 챔버가 상기 압력 전달 회로로부터 오는 상기 링 유체를, 상기 교정된 오리피스를 통해 빠져 나가기 전에 상기 내부 원통형 링 표면의 가능한 가장 큰 표면을 스위프(sweep)하게 하는 링 유체 분산 수단을 수용하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 링 유체 분산 수단이 상기 환형 홈의 바닥에 수용된 분산 판으로 구성되고, 상기 분산 판의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부는 상기 분산 판의 적어도 하나의 오리피스 또는 측방향 홈을 구비하고, 상기 분산 판의 적어도 하나의 오리피스 또는 측방향 홈은 상기 압력 전달 회로로부터 오는 상기 링 유체를, 상기 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부에 의해 상기 압력 분배 챔버 내로 배출하게 하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 환형 홈이 상기 연속 천공 링이 상기 홈 내로 침투하는 것을 제한하는 반경방향 환형 단부 정지부를 구비하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압력 전달 회로가, 상기 팽창 실린더에 평행하고 상기 팽창 피스톤과 통합된 압력 입구 파이프로 구성되고, 상기 파이프의 제1 단부는 상기 피스톤 내로 배출하는 반면, 상기 파이프의 제2 단부는, 상기 입구 파이프가 내부에서 기밀 방식으로 길이방향으로 변위될 수 있는 상기 압력 챔버의 보어(bore)를 통해, 상기 가압 유체 공급원에 연결된 압력 챔버 내로 배출하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압력 입구 파이프가 적어도 하나의 반경방향 압력 입구 라인(에 의해 상기 압력 분배 챔버에 연결된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 압력 챔버가, 상기 링 유체가 상기 공급원으로부터 상기 챔버로는 갈 수 있지만 상기 챔버로부터 상기 공급원으로는 갈 수 없게 하는 비례 압력 체크 밸브를 통해 상기 가압 유체 공급원에 연결된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 환형 홈이, 상기 홈을 지지하며 상기 내부 원통형 링 표면에 반경방향 힘을 가하는 팽창 스프링을 수용하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 팽창 스프링이 상기 환형 홈과 상기 연속 천공 링 사이에 접촉에 의해 밀봉을 생성되는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진은, 상기 팽창 스프링이 적어도 하나의 유체 분산 오리피스 및/또는 적어도 하나의 유체 분산 홈을 구비하며, 상기 오리피스 및/또는 상기 홈과 함께 상기 링 유체 분산 수단을 구성하는 것을 포함한다.
첨부 도면과 관련하여 비-제한적인 예로서 주어진 다음의 상세한 설명을 통해 본 발명, 그 특성 및 본 발명이 제공할 수 있는 장점을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 위에서 본 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 개략도이며, 여기서 압축기는 저압 압축기, 고압 압축기 및 중간 압축기 냉각기를 포함하는 한편, 열원은 버너로 구성되고, 피스톤 밀봉 수단은 특히 연속 천공 링으로 구성된다.
도 2는 측면에서 본 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 개략도이며, 여기서 압축기는 저압 압축기, 고압 압축기 및 중간 압축기 냉각기를 포함하는 한편, 열원은 특히 범용 열원으로부터 열을 추출하는 1차 열 교환기로 구성되고, 피스톤 밀봉 수단은 특히 연속 천공 링으로 구성된다.
도 3은 측면에서 본 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 개략도이며, 여기서 압축기는 단일 스테이지이고, 이중 동작 피스톤을 구비하고, 압축기 흡입 계량 밸브 액추에이터에 의해 구동되는 압축기 흡입 계량 밸브가 장착되고, 압축기 입구 라인에서 순환하는 가스에 액체 물을 분무하는 물 분사기와 협력하고, 여기서 상기 물은 공기/물 분리기에 의해 그리고 나서 응축 가스 건조기에 의해 회수된다.
도 4 및 도 5는 각각 피스톤 밀봉 수단이 특히 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 일부의 3차원 절개도 및 3차원 분해도이며, 여기서 상기 일부는 특히 기계적 전달 수단 및 팽창 실린더를 포함하며, 상기 팽창 실린더는 협력하는 팽창 피스톤과 함께 2개의 전달-팽창 챔버를 형성하고, 상기 전달-팽창 챔버들은 팽창 실린더 헤드에 의해 각각 폐쇄된다.
도 6은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 배기 밸브의 3차원 투시도이며, 여기서 상기 밸브를 안내하는 상기 밸브 케이지 부분 및 안착부는 밸브 냉각 회로에 의해 냉각된다.
도 7은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 전달-팽창 챔버에서 발생하는 사이클을 개략적으로 도시하는 압력/부피 다이어그램이다.
도 8은 엔진의 토크를 최대화하기 위해 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 전달-팽창 챔버에서 발생할 수 있는 사이클을 개략적으로 도시하는 압력/부피 다이어그램이다.
도 9는 엔진의 토크를 감소시키기 위해 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 전달-팽창 챔버에서 발생할 수 있는 사이클을 개략적으로 도시하는 압력/부피 다이어그램이다.
도 10은 온도 유지 연료 분사기에 의해 엔진의 토크를 최대화하기 위해 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 전달-팽창 챔버에서 발생할 수 있는 사이클을 개략적으로 도시하는 압력/부피 다이어그램이다.
도 11은 특히 피스톤 밀봉 수단이 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 피스톤 밀봉 수단의 개략적인 단면도이이고, 여기서 링 밀봉 수단은 O-링으로 구성된다.
도 12는 특히 피스톤 밀봉 수단이 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 피스톤 밀봉 수단의 개략적인 단면도이고, 여기서 환형 홈은 상기 홈에 연속 천공 링이 침투하는 것을 제한하는 반경방향 환형 단부 정지부를 구비하는 한편, 상기 링은 가요성 재료로 구성되고, 원주방향 환형 스프링을 포함한다.
도 13 및 도 14는 각각 특히 피스톤 밀봉 수단이 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 피스톤 밀봉 수단의 개략적인 단면도 및 3차원 분해도이고, 여기서 환형 홈은 환형 홈과 연속 천공 링 사이에 접촉에 의해 밀봉을 생성하는 팽창 스프링을 수용하고, 상기 팽창 스프링은 링 유체 분산 수단을 구성하기 위해 유체 분산 오리피스를 더 구비한다.
도 15 및 도 16은 각각 특히 피스톤 밀봉 수단이 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 피스톤 밀봉 수단의 개략적인 단면도 및 3차원 분해도이며, 여기서 분산 판은 측방향 홈을 구비하고 상기 분산 판은 환형 홈의 바닥에 수용되는 한편, 연속 천공 링과 통합된 링 밀봉 립은 링 밀봉 수단을 구성하고, 연속 천공 링은 에지 판의 간극을 갖는다.
도 17 및 도 18은 각각 특히 피스톤 밀봉 수단이 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 피스톤 밀봉 수단의 개략적인 단면도 및 3차원 분해도이며, 특히 환형 홈은 링 유체 분산 수단을 구성하기 위해 유체 분산 오리피스를 갖는 팽창 스프링을 수용하는 한편, 링 밀봉 수단은 연속 천공 링의 축방향 단부들 부근에 배치된 얇은 축방향 부분들로 구성된다.
도 19 및 도 20은 특히 피스톤 밀봉 수단이 연속 천공 링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 피스톤 밀봉 수단의 기능을 도시하는 개략적인 단면도이고, 여기서 링 밀봉 수단은 O-링으로 구성된다.
도 21은 로드 밀봉 수단이 압력 공급 파이프에 적용될 때 및 로드 밀봉 수단이 특히 상부 로드 밀봉부, 하부 로드 밀봉부, 오일 순환 챔버 및 로드 안내 칼라로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 로드 밀봉 수단의 개략적인 단면도이다.
도 22는 로드 밀봉 수단이 팽창 피스톤 로드에 적용될 때 및 로드 밀봉 수단이 특히 상부 로드 밀봉부, 하부 로드 밀봉부, 오일 순환 챔버 및 세그먼트 확산 스프링으로 구성될 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 로드 밀봉 수단의 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 22에는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1), 그 구성 요소의 다양한 상세, 그 변형예 및 그 부속품이 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3에 명확히 도시된 바와 같이, 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 압축기 입구 라인(3)을 통해 특정 압력의 가스를 흡입하고 이 가스를 압축기 출구 라인(4)에서 더 큰 압력으로 토출할 수 있는 적어도 하나의 압축기(2)를 포함하고, 상기 압축기(2)는 원심, 부피 회전식 블레이드, 나사 또는 로브(lobe) 유형, 또는 부피 왕복 피스톤 유형 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 임의의 유형일 수 있다.
압축기(2)가 왕복 피스톤 유형인 경우, 개방 및/또는 폐쇄가 압축기 흡입 계량 밸브 액추에이터(67)에 의해 제어되는 흡입 게이트를 갖는 압축기 흡입 계량 밸브(66)로 유리하게 대체될 수 있다는 것이 주목된다. 이러한 구성에 따르면, 압축기(2)에 의해 흡입되는 공기의 양은, 상기 압축기(2)의 흡입 사이클 동안 상기 계량 밸브(66)의 폐쇄가 더 또는 덜 이르게 하는 것에 의해, 또는 상기 압축기(2)의 압축 사이클 동안 상기 계량 밸브(66)의 폐쇄가 더 또는 덜 늦게 하는 것에 의해, 상기 액추에이터(67)에 의해 조절될 수 있다.
또한 도 1 내지 도 3에서, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 적어도 하나의 고압 재생 라인(6) 및 적어도 하나의 저압 재생 라인(7)으로 구성된 적어도 하나의 재생 열 교환기(5)를 포함하고, 여기서 상기 고압 라인(6)의 제1 단부(8)는 압축기 출구 라인(4)에 연결되는 반면, 저압 재생 라인(7)에서 순환하는 가스는 열의 일부를 고압 재생 라인(6)에서 순환하는 가스에 전달할 수 있는 것을 볼 수 있다. 저압 재생 라인(7)의 내부는 상기 저압 라인(7)에서 순환하는 가스에 포함될 수 있는 탄화수소의 산화를 촉진하는 촉매 특성을 갖는 백금, 팔라듐 또는 로듐과 같은 귀금속으로 라이닝될 수 있다는 것이 더 주목된다.
상기 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 또한 고압 재생 라인(6)의 제2 단부(11)에 연결된 제1 단부(10)를 갖는 적어도 하나의 고압 재생기 출구 라인(9)을 포함한다.
또한 도 1 내지 도 3에서, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은, 고압 재생기 출구 라인(9)의 임의의 주어진 위치에 배치되고 상기 라인(9)에서 순환하는 가스를 과열시킬 수 있는 적어도 하나의 열원(12)을 포함한다는 것이 주목된다.
또한, 도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)이 적어도 하나의 팽창 실린더(13)를 더 포함하고, 상기 팽창 실린더(13)의 적어도 하나의 단부는, 상기 실린더(13)와 통합되거나 상기 실린더에 부착된 팽창 실린더 헤드(14)에 의해 폐쇄되고, 상기 실린더(13)는 팽창 피스톤(15)을 수용하고, 상기 실린더는 상기 팽창 피스톤과 함께 가변 부피의 전달-팽창 챔버(16)를 형성하도록 밀봉부를 생성하고, 상기 피스톤(15)은 상기 실린더(13) 내에서 이동할 수 있고, 상기 피스톤(15)이 팽창 실린더(13)에서 왕복 운동을 수행할 때 상기 피스톤은 동력 전달 샤프트(17)에 연속적인 회전 운동을 부여하도록 기계적 전달 수단(18)에 의해 동력 출력 샤프트(17)에 직접 또는 간접 연결된다.
경우에 따라, 기계적 전달 수단(18)은 엔진 크랭크케이스(45)에 수용될 수 있고, 상기 기계적 수단(18)과 팽창 피스톤(15) 사이에 삽입될 수 있는 전기적, 공압적 또는 유압적 동력 전달 수단과 협력할 수 있다. 예를 들어, 팽창 피스톤(15)은 유압 펌프의 피스톤을 직접 작동시켜 유압 모터 또는 임의의 다른 유압 기계에 의해 사용될 수 있는 압력 하에서 오일의 흐름을 제공할 수 있다.
도 2 내지 도 5에 도시된 변형 예로서, 팽창 실린더(13)는 팽창 피스톤(15)과 함께 2개의 전달-팽창 챔버(16)를 형성할 수 있다는 것이 주목된다. 이 구성에 따르면, 팽창 실린더(13)의 두 단부들은 팽창 실린더 헤드(14)에 의해 폐쇄되고, 기계적 전달 수단(18) 측에 놓인 팽창 실린더 헤드는, 상기 수단(18)의 적어도 일부가 통과하는 오리피스에 의해 횡단되거나 또는 상기 수단(18)이 상호 작용하는 부속 요소들에 의해 횡단된다. 또한, 팽창 실린더(13), 팽창 실린더 헤드(14) 및 팽창 피스톤(15)은 1000 ℃ 이상의 매우 높은 온도에 견딜 수 있는 재료, 예를 들어, 알루미나, 지르콘, 또는 실리콘 카바이드에 기초한 세라믹으로 제조될 수 있는 것이 주목된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 또한 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 고압 재생기 출구 라인(9)의 제2 단부(21)에 연결된 제1 단부(20)를 갖는 적어도 하나의 고온 가스 흡입 라인(19)을 포함하고, 상기 흡입 라인(19)은 고온 가스 흡입 라인(23)의 입구를 통해 팽창 실린더(13) 내로 배출하도록 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 제2 단부(22)를 포함하는 것이 주목된다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)이 계량 밸브 액추에이터(25)에 의해 동작되는 적어도 하나의 흡입 계량 밸브(24)를 더 포함하는 것을 도시하는데, 여기서 상기 밸브(24)는 고온 가스 흡입 라인(23)의 입구를 차단 또는 개방할 수 있는 반면, 계량 밸브 액추에이터(25)는 팽창 실린더(13)에 대한 팽창 피스톤(15)의 상대적 위치 및 상기 팽창 피스톤(15)의 변위 방향의 함수로서 흡입 계량 밸브(24)의 개방 및/또는 폐쇄 시간을 제어하는 컴퓨터에 의해 제어될 수 있고, 상기 컴퓨터는 또한 상기 밸브(24)의 리프트 높이를 제어할 수 있다. 상기 계량 밸브 액추에이터(25)는 리턴 스프링을 갖는 기계 장치이거나 또는 데스모드로믹(desmodromic), 전기적, 전기기계적, 유압적, 유압기계적, 공압적, 유압공압적, 또는 일반적으로 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형일 수 있는 것이 주목된다.
도 1 내지 도 5에서, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)이 팽창 가스 배기 라인의 입구(28)를 통해 팽창 실린더(13) 내로 배출하도록 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 제1 단부(27)를 포함하는 적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인(26)을 더 포함하고, 상기 배기 라인(26)은 저압 재생 라인(7)의 제1 단부(30)에 연결된 제2 단부(29)를 더 포함하는 것을 또한 볼 수 있다.
도 1 내지 도 6에서, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 배기 밸브 액추에이터(32)에 의해 동작되는 적어도 하나의 배기 밸브(31)를 포함하는 것을 볼 수 있는데, 여기서 상기 밸브(31)는 팽창 가스 배기 라인의 입구(28)를 차단 또는 개방할 수 있으나, 배기 밸브 액추에이터(32)는 팽창 실린더(13)에 대해 팽창 피스톤(15)의 상대적인 위치 및 상기 피스톤(15)의 변위 방향의 함수로서 배기 밸브(31)의 개방 및/또는 폐쇄 시간을 제어하는 컴퓨터에 의해 제어될 수 있고, 상기 컴퓨터는 또한 상기 밸브(31)의 리프트 높이를 제어할 수 있다. 상기 배기 밸브 액추에이터(32)는 리턴 스프링을 갖는 기계 장치이거나 또는 데스모드로믹, 전기적, 전기기계적, 유압적, 유압기계적, 공압적, 유압공압적, 또는 일반적으로 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형일 수 있는 것이 주목된다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)에 대해 선택된 실시예에 따라, 흡입 계량 밸브(24) 및/또는 배기 밸브(31)는 중실 또는 중공일 수 있는 것이 주목된다. 중공인 경우, 상기 밸브(24, 31)는 액체 또는 열 전달 염(salt)을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 상기 밸브(24, 31)는 보강재를 갖거나 갖지 않은 임의의 등급의 강철 및/또는 세라믹의 하나 이상의 부재로 제조될 수 있다. 상기 밸브(24, 31)가 중공인 경우, 상기 밸브는 가능한 한 가볍게 설계될 수 있는데, 즉, 상기 밸브(24, 31)의 강성 및 수명에 허용가능한 한도에서 강철 두께를 가질 수 있다.
마지막으로, 도 1 내지 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은, 저압 재생 라인(7)의 제2 단부(34)의 연장부에 배치되거나, 또는 상기 제2 단부와 단일 부품을 구성하도록 상기 제2 단부(34)와 결합된 적어도 하나의 엔진 출구 라인(33)을 포함한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)이 적어도 하나의 왕복 피스톤형 압축기(2)를 갖는다면, 상기 엔진(1)에 포함된 팽창 실린더(들)(13) 및 상기 압축기(2)는 동일한 동력 출력 샤프트(17)에 연결될 수 있고, 상기 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 바닥 면적, 비율 또는 진동 방출을 최적화하기 위하여, 라인 형상, "V" 형상, 편평한 형상, 별 형상, 또는 통상적인 왕복 피스톤형 엔진 또는 압축기에 적용 가능한 임의의 다른 구조로 동력 출력 샤프트 주위에 배열될 수 있는 것이 주목된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 압축기(2)는 2-스테이지이고, 저압 압축기(35)로 구성될 수 있으며, 저압 압축기의 출구는 그 자체로 친숙한 중간 압축기 냉각기(37)를 경유하여 고압 압축기(36)의 입구에 연결되고, 이 중간 압축기 냉각기는, 상기 가스가 고압 압축기(36)의 입구로 흡입하기 전에, 저압 압축기(35)를 떠나는 가스를 하나씩 냉각시켜, 대기 또는 상기 가스보다 차가운 임의의 다른 환경으로 열을 발산시킨다. 여기서 저압 압축기(35)가 왕복 피스톤 유형인 경우, 그 실린더는 적어도 공기 또는 물에 의해 냉각될 수 있는 것이 주목된다.
도 1 내지 도 3은 또한 - 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 하나의 특정 실시예에 따른 - 동력 출력 샤프트(17)가 압축기(2)를 회전 구동할 수 있는 것을 도시한다. 이는 직접 수행되거나 또는 여러 속력에 걸쳐 또는 연속적으로 변하는 변속기를 통해 수행될 수 있는 것이 주목된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 압축기 입구 라인(3)은, 상기 가스가 가스를 흡입하는 압축기(2)에 의해 형성된 흡입-운반 챔버(58)에 도입되기 전에, 상기 라인(3)에서 순환하는 가스에 액체 물(57)을 분무할 수 있는 물 분사기(56)를 구비할 수 있고, 여기서 물 분사기(56)는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형이고, 물 펌프(62)에 의해 액체 물(57)이 공급되거나 또는 임의의 주어진 유형의 액체 펌프에 의해 오일 또는 다른 탄화수소와 같은 임의의 다른 액체가 공급된다.
또 다른 변형예로서, 압축기(2)는 흡입-운반 챔버(58)를 형성할 수 있고, 물 분사기(56)는 이 흡입-운반 챔버 내로 배출할 수 있으며, 상기 물 분사기는, 상기 가스가 상기 압축기(2)에 의해 상기 압축기 입구 라인(3)을 통해 흡입된 후 상기 챔버(58) 내로 도입되는 가스에 액체 물(57)을 분무할 수 있다는 것이 주목된다. 상기 물 분사기(56)는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형일 수 있으며 상기 물 분사기는 물 펌프(62)에 의해 액체 물(57)을 공급받거나 또는 임의의 주어진 유형의 액체 펌프에 의해 오일 또는 다른 탄화수소와 같은 임의의 다른 액체를 공급받을 수 있는 것이 주목된다.
물 분사기(56)가 제공되는 한, 도 3은, 압축기 출구 라인(4)이, 상기 출구 라인(4)에서 압축기(2)에 의해 전달된 가스에 존재하는 액체 물(57)을 회수하고 상기 물(57)을 액체 물 회수 탱크(61)에 저장하는 공기/물 분리기(59)를 구비할 수 있는 것을 도시한다. 공기/물 분리기(59)는 예를 들어 원심 분리형 또는 사이클론형 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 임의의 다른 유형일 수 있는 것이 주목된다.
도 3에 다시 도시된 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 또 다른 변형 예에 따르면, 엔진 출구 라인(33)은 저압 재생 라인(7)을 떠나는 가스가 들어갈 수 있는 응축 가스 건조기(60)를 구비할 수 있으며, 상기 건조기(60)는 임의의 가능한 냉원(cold source)에 의해 상대적으로 저온으로 유지되는 내부 벽들을 가져서, 상기 가스가 상기 벽들 위를 스위프(sweep)할 때 상기 벽들이 상기 가스를 냉각시켜 상기 가스에 포함된 증기의 대부분이 응축되어 액체 물(57)을 형성하고 이 액체 물은 상기 벽들을 따라 흘러 내려 응축 탱크(63)에서 회수된다.
냉원이 주변 대기 공기인 경우, 응축 가스 건조기(60)는 응축 탱크(63)를 통합하거나 응축 탱크에 연결된 공기/공기 응축 교환기(64)로 기본적으로 구성될 수 있는 반면, 상기 주변 공기는 응축 교환기 팬(65)에 의해 상기 교환기(64)를 통과하도록 가압될 수 있다는 것이 주목된다.
도 3은 또한 압축기(2)가 압축기 흡입 계량 밸브(66)를 구비할 수 있는 것을 도시하는데, 여기서 이 압축기 흡입 계량 밸브(66)의 개방과 폐쇄는 압축기 흡입 밸브 액추에이터(67)에 의해 제어되고, 상기 밸브(66)가 개방되면 압축기 입구 라인(3)이 압축기(2)에 의해 형성된 흡입-운반 챔버(58)에 연결된다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 이러한 특정 구성에 따르면, 압축기 흡입 계량 밸브 액추에이터(67)는, 상기 압축기(2)의 흡입 사이클 동안 상기 계량 밸브(66)의 폐쇄가 더 또는 덜 이르게 하는 것에 의해, 또는 상기 압축기(2)의 압축 사이클 동안 상기 계량 밸브(66)의 폐쇄가 더 또는 덜 늦게 하는 것에 의해, 상기 압축기(2)에 의해 흡입되는 공기의 양을 조절할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 나타낸 변형 예로서, 고압 재생 라인(6) 및 저압 재생 라인(7)은 그 길이의 전부 또는 일부에 걸쳐 나란히 배치될 수 있고, 고압 재생 라인(6)에 포함된 가스의 순환 방향은 저압 재생 라인(7)에 포함된 가스의 순환 방향과 반대이고, 2개의 상기 라인(6, 7)은, 튜브, 적층된 판, 또는 이런 유형의 교환기에 적용 가능한 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려져 있는 임의의 다른 장치로 구성될 수 있는, 그 자체로 친숙한, 역류형(counterflow) 열 교환기(41)를 구성한다.
또한, 도 1 및 도 3에서 열원(12)은 연료 분사기(39) 및 연소 챔버(40)로 구성된 버너(38)일 수 있고, 상기 연료는 액체 또는 기체이고, 연소 챔버는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형인 것이 주목된다.
도 2는, 열원(12)이, 범용 열원(47)으로부터 열을 추출하여 상기 열을 고압 재생기 출구 라인(9)에서 순환하는 가스에 직접 전달하거나 또는 2차 열 수송 회로(48)를 통해 전달하는 1차 열 교환기(46)로 형성될 수 있는 일 변형예를 도시하는데, 여기서 범용 열원(47)은, 비-제한적인 예로서, 화석 또는 재생 가능 원천의 탄화수소의 연소 또는 수소의 연소 또는 핵반응으로부터 기인할 수 있다.
2차 열 수송 회로(48)는 용융된 염 또는 액체 금속을 포함하는 임의의 성질의 열 전달제를 통해 열을 운반할 수 있다는 것이 주목된다. 유리하게는, 1차 열 교환기(46)의 적어도 일부는 역류형일 수 있다.
전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)이 1차 열 교환기(46)를 갖는다면, 이 열 교환기는 폐쇄된 회로에서 동작할 수 있다는 것이 더 주목된다. 이 경우, 엔진 출구 라인(33)에 의해 방출된 가스는, 압축기(2)에 의해 다시 흡입되기 전에, 열의 대부분을 임의의 주어진 성질의 냉원에 전달하는 교환기에서 냉각된다. 바람직하게는 고정 응용 분야용으로 의도된 이러한 구성은 재생 열 교환기가 가능한 가장 높은 효율을 유지하도록 재생 열 교환기의 막힘을 특히 방지한다. 이러한 구성은 또한 질소 또는 이산화탄소와 같은 비-산화성의 중성이고 화학적으로 안정한 가스, 또는 물리적 특성이 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율을 위해 대기 공기보다 잠재적으로 더 유리한 가스를 선택할 수 있게 한다.
도 1은, 팽창 실린더 헤드(14)가 전달-팽창 챔버(16)와 고온 가스 흡입 라인(19)을 연결하는 라인을 차단할 수 있는 압력 밸런싱 밸브(49)를 구비할 수 있는 것을 도시하고, 여기서 전달-팽창 챔버(16)에서 나타나는 압력이 고온 가스 흡입 라인(19)에서 나타나는 압력보다 더 큰 경우, 상기 밸브(49)는 개방되어, 가스가 상기 챔버(16)로부터 상기 라인(19)으로 통과하고, 그렇지 않은 경우, 상기 밸브(49)는 폐쇄되어, 상기 가스가 상기 라인(19)으로부터 상기 밸브(49)를 통해 상기 챔버(16)로 통과할 수 없다.
도 3에서, 전달-팽창 챔버(16)는, 고온 가스가 상기 챔버(16) 내로 흡입하는 순간에 흡입 계량 밸브(24)에 의해 상기 챔버(16) 내로 흡입되는 고온 가스의 온도를 일시적으로 온도를 상승시키기 위해, 액체, 기체 또는 이전에 분쇄된 고체 연료를 상기 챔버(16) 내로 분사할 수 있는 적어도 하나의 온도 유지 연료 분사기(140)를 포함할 수 있는 것이 주목된다.
이러한 제1 전략의 결과 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율이 증가된다.
상기 제1 전략에 대한 대안 또는 보완으로서, 팽창의 일부 또는 전부 동안 상기 가스의 온도의 저하의 일부 또는 전부를 보상하기 위하여 흡입 계량 밸브(24)가 폐쇄된 후에 온도 유지 연료 분사기(140)는 연료를 전달-팽창 챔버(16) 내로 분사할 수 있다.
이 제2 전략의 결과 상기 가스는 팽창의 일부 또는 전부 동안 팽창 시작 온도를 대략적으로 보존하여, 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율이 증가된다.
다시 도 3에서, 상기 전달-팽창 챔버(16)는 특히 배기 행정의 종료시 상기 가스의 재-압축 동안 상기 챔버(16)에 포함된 고온 가스의 최대 온도를 특정 임계값으로 유지하기 위해 상기 챔버(16) 내로 물과 같은 냉매 액체를 분사할 수 있는 적어도 하나의 NOx 방지 물 분사기(141)를 포함할 수 있다는 것이 주목된다.
냉매 액체의 이러한 짧은 분사는 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)에 의해 생성되는 오염물 및 특히 질소 산화물의 양을 감소시킬 수 있게 한다.
도 2 내지 도 5에서, 팽창 피스톤(15)은 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 팽창 피스톤 로드(68)에 의해 기계적 전달 수단(18)에 연결될 수 있는 것을 볼 수 있는데, 여기서 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 적어도 하나의 개스킷, 세그먼트, 링 또는 임의의 다른 밀봉 수단으로 구성될 수 있는 로드 밀봉 수단(69)에 의해 상기 로드(68)와 상기 실린더 헤드(14) 사이에 밀봉이 생성될 수 있다.
도 22는, 로드 밀봉 수단(69)이 상부 로드 밀봉부(70)와 하부 로드 밀봉부(71)를 포함하고, 상기 상부 로드 밀봉부와 상기 하부 로드 밀봉부는 2개의 상기 밀봉부(70, 71) 사이에 오일 순환 챔버(72)를 형성하도록 충분히 상호 이격되고, 냉각 윤활 오일 공급 라인(73)은 이 오일 순환 챔버 내로 배출하고, 냉각-윤활 오일 출구 라인(74)은 이 오일 순환 챔버로부터 나오는 것을 도시한다.
그렇게 설계된 로드 밀봉 수단(69)에 의해 오일은 오일 순환 챔버(72)를 통해 냉각-윤활 오일 공급 라인(73)과 냉각-윤활 오일 출구 라인(74) 사이에 순환하며, 한편으로는 팽창 피스톤 로드(68)와 2개의 상기 밀봉부(70, 71) 사이에 윤활을 제공하고, 다른 한편으로는 팽창 피스톤 로드(68)를 냉각시킬 수 있다.
상부 로드 밀봉부(70) 및/또는 하부 로드 밀봉부(71)는, 특히 절단 세그먼트 또는 그 절단부의 각도가 엇갈린 2개의 중첩된 절단 세그먼트로 형성될 수 있는 반면, 팽창 피스톤 로드(68)의 외부 표면은 오일 저장소와 유체 역학적인 부양 표면의 연속체를 형성하는 이중 나선형으로 약간의 깊이를 갖는 스크래치를 구비할 수 있다.
도 22에서, 상부 로드 밀봉부(70)를 구성하는 세그먼트들은, 세그먼트 확장 스프링(75)에 의해, 하부 로드 밀봉부(71)를 구성하는 세그먼트들로부터 일정한 거리를 두고 유지될 수 있고, 이 세그먼트 확장 스프링은 - 특히 오리피스 또는 통로를 포함하는 것으로 인해 - 냉각-윤활 오일 공급 라인(73)과 냉각-윤활 오일 출구 라인(74) 사이에 구성된 냉각 및 윤활 오일 흐름을 통과시키도록 설계된다는 것이 주목된다.
도 21에 도시된 바와 같이, 로드 밀봉 수단(69)은 또한 압력 공급 파이프(128)에도 적용되어, 압력 공급 파이프(128)와 상기 파이프(128)가 통과하는 팽창 실린더 헤드(14) 또는 압력 챔버의 보어(130) 사이에 밀봉을 생성할 뿐만 아니라 상기 파이프(128)의 냉각을 보장할 수 있다는 것이 주목된다.
도 21은 로드 밀봉 수단(69)이 오일 순환 챔버(72)의 내부 또는 외부에 수용된 로드 안내 칼라(76)와 협력할 수 있는 것을 도시하고, 여기서 상기 칼라(76)는 마찰 방지 및/또는 유체 역학적 칼라 또는 베어링을 제조하는데 통상적으로 사용되는 청동 또는 임의의 다른 재료로 제조되고, 상기 칼라(76)는 팽창 실린더 헤드(14) 내의 팽창 피스톤 로드(68)를 반경방향으로 안내하는 것을 보장한다.
또한, 로드 밀봉 수단(69)은 압력 공급 파이프(128)에 적용될 때 로드 안내 칼라(76)를 구비하는 것이 바람직하지만, 팽창 피스톤 로드(68)의 반경방향 안내는 크로스헤드(crosshead)(44)에 의해 간접 제공될 수 있다는 것이 더 주목된다.
도 2 내지 도 5에서, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 기계적 전달 수단(18)은 커넥팅 로드(42)에 의해 형성될 수 있고, 이 커넥팅 로드(42)의 일 단부는 팽창 피스톤(15)에 직접 또는 간접 관절식으로 연결되고, 타단부는 동력 출력 샤프트(17)와 통합된 크랭크(43) 주위에 관절식으로 연결된다는 것이 주목된다.
팽창 실린더(13)가 팽창 피스톤(15)과 함께 2개의 전달-팽창 챔버(16)를 형성하면, 커넥팅 로드는 상기 피스톤(15)과 통합된 크로스헤드(44)에 의해 팽창 피스톤(15)에 관절식으로 연결될 수 있고, 엔진 크랭크케이스(45)에 대해 병진 이동하게 안내될 수 있다는 것이 주목된다. 크로스헤드(44)는 안내 실린더 내에서 슬라이딩하는 원통형 가이던스 피스톤일 수 있고, 또는 엔진 크랭크케이스(45) 내에 또는 상에 배치된 레일 또는 가이드와 협력하는 임의의 다른 형상을 구비할 수 있다.
도 6은, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 흡입 계량 밸브(24) 및/또는 배기 밸브(31)가 팽창 실린더 헤드(14)에 수용된 밸브 케이지(50)에서 직접 또는 간접 안내될 수 있고, 상기 케이지(50)는 상기 밸브(24, 31)가 안착하여 밀봉부를 형성할 수 있는 안착부를 구비하는 한편, 상기 밸브(24, 31)를 안내하는 밸브 케이지(50) 부분 및/또는 상기 안착부는 열 전달제가 순환하는 밸브 냉각 회로(51)에 의해 냉각되는 것을 도시한다. 도 6에서 상기 밸브(24, 31), 밸브 케이지(50) 및 계량 밸브 액추에이터(25) 또는 배기 밸브 액추에이터(32)는 팽창 실린더 헤드(14)에 설치된 기성품 카트리지(52)를 구성할 수 있는 것이 주목된다.
도 5 및 도 11 내지 도 20은, 일반적으로 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 팽창 피스톤(15)이, 상기 세그먼트 및/또는 상기 링의 재료 및 기하학적 형상에 관계 없이, 적어도 하나의 절단 세그먼트 및/또는 밀봉 링으로 구성될 수 있고, 상기 피스톤(15)과 팽창 실린더(13) 사이의 가능한 가장 완벽한 밀봉을 생성하는 피스톤 밀봉 수단(53)을 구비할 수 있는 것을 도시한다.
보다 구체적으로, 도 5 및 도 11 내지 도 20은, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)이 내부 원통형 링 표면(106)을 갖는 적어도 하나의 연속 천공 링(105), 외부 원통형 링 표면(107) 및 2개의 축방향 링 표면(108)을 포함할 수 있고, 상기 링(105)은 상기 팽창 피스톤(15)에 배치된 적어도 하나의 환형 홈(109)에 수용되는 한편, 상기 링(105)은 환형 홈으로부터 빠져 나가지 않고 환형 홈(109)에서 반경방향으로 이동할 수 있는 것을 도시한다. 환형 홈(109)은 팽창 피스톤(15)과 축방향으로 통합된 연속 천공 링(105)을 직접 또는 간접 유지할 수 있는 것이 더 주목된다.
이 경우에, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)은 링(108)의 각 축방향 표면과 환형 홈(109) 사이에 밀봉을 제공하는 링 밀봉 수단(110)을 구비하여 환형 홈(109)이 연속 천공 링(105)과 함께 압력 분배 챔버(119)를 형성하도록 한다. 링 밀봉 수단(110)은 그 재료 또는 기하학적 형상에 관계 없이 O-링(132), 립 밀봉재, 복합 밀봉재 또는 임의의 알려진 밀봉 세그먼트 또는 개스킷으로 구성될 수 있는 것이 주목된다. 또한, 환형 홈(109)을 향하는 내부 원통형 링 표면(106) 또는 외부 원통형 링 표면(107)은 그 축방향 길이에 걸쳐 연속 천공 링(105)의 두께가 모두 변하도록 비-원통형 회전 표면을 구비할 수 있고, 상기 링(105)은 버니싱(burnishing) 또는 스탬핑(stamping)에 의해 변형된 단순한 원형 시트(sheet)이고 또는 롤링에 의해, 임의의 주어진 절단 또는 직선화 도구(straightening tool)에 의해 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 다른 전기 화학적 또는 다른 제조 방법에 의해 만들어진 부재인 것이 주목된다.
다시 도 5 및 도 11 내지 도 20에 도시되고 적어도 하나의 연속 천공 링(105)에 기초한 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)의 구성에서, 적어도 하나의 교정된 오리피스(111)는 그 반경방향 두께에서 연속 천공 링(105)을 완전히 관통하며, 상기 오리피스(111)의 제1 단부는 내부 원통 링 표면(106)으로 나오는 반면, 상기 오리피스(111)의 제2 단부는 외부 원통 링 표면(107)으로 나온다.
상기 피스톤 밀봉 수단(53)은 또한 가압된 링 유체(113)가 유래하는 적어도 하나의 가압 유체 공급원(112)을 더 포함하며, 상기 유체 공급원(112)의 출구는 압력 전달 회로(114)에 의해 압력 분배 챔버(119)에 연결되어 링 유체(113)는 내부 원통형 링 표면(106)에 압력을 가하게 된다. 링 유체(113)가 받는 압력은 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력보다 항상 더 크다는 것이 주목된다. 그 결과, 연속 천공 링(105)의 탄성으로 인해 링 유체(113)의 압력의 효과로 연속 천공 링(105)의 직경이 증가하여, 외부 원통형 링 표면(107)이 팽창 실린더(13)에 더 가까워지는 경향이 있다.
또한, 교정된 오리피스(111)의 직경은, 가압 유체 공급원(112)으로부터 오는 링 유체(113)의 흐름률(flow rate)을 고려하여, 상기 링 유체(113)에 의해 내부 원통 링 표면(106)에 가해지는 압력이 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력보다 항상 더 크게 유지되도록 계산된다는 것이 주목된다. 가압 유체 공급원(112)은 피스톤, 베인, 나사, 원심 분리기 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형 또는 그 자체로 친숙한 임의의 유형의 공압 유체 압축기(120)일 수 있다는 것이 주목된다. 공압 유체 압축기(120)는 친숙한 축압기와 협력할 수도 있고 협력하지 않을 수도 있다. 링 유체(113)가 압력 분배 챔버(119)에 도입되기 전에 특정 크기보다 더 큰 임의의 입자를 링 유체(113)로부터 제거하기 위해, 작은 메시의 링 유체 필터(138)가 공압 유체 압축기(120)의 상류 또는 하류에 설치될 수 있다는 것이 주목된다.
도 5 및 도 11 내지 도 20에 도시된 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)은 적어도 하나의 연속 천공 링(105)에 기초하고, 상기 수단(53)은 외부 원통형 링 표면(107)으로부터 중공 형성되고 축방향으로 막힌 적어도 하나의 역압 공동(115)을 포함하고, 상기 교정된 오리피스(111)는 상기 역압 공동(115)으로 배출하는 반면, 상기 공동(115)이 점유하지 않는 외부 원통형 링 표면(107)의 표면은 에어 쿠션 부양 표면(116)을 구성한다.
역압 공동(115)의 범위는, 가장 작은 것, 즉 교정된 오리피스(111)의 출구의 0이 아닌 반경과 등가인 것으로부터, 가장 큰 것, 즉 상기 공동(115)을 수용하는 외부 원통형 링 표면(107)의 반경보다 바로 실질적으로 더 작은 것까지 임의의 주어진 치수일 수 있다는 것이 주목된다. 팽창 피스톤(15)은 환형 홈(109)의 부근을 전달-팽창 챔버(16)에 연결하는 감압 홈 또는 슬롯 또는 임의의 유형의 임의의 다른 내부 채널 또는 표면을 상기 환형 홈 부근에 가질 수 있는 것으로 제시된다.
도 11 내지 도 20은, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)이, 외부 원통형 링 표면(107)의 축방향 길이에 더 또는 덜 중심을 둔 약간의 깊이를 갖는 역압 홈(117)으로 구성된 역압 공동(115)을 구비할 수 있고, 상기 역압 홈(117)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 전체 원주에 걸쳐 형성되고, 상기 역압 홈(117)에서 한정된 각 환형 표면은 에어 쿠션 부양 표면(116)을 구성하는 것을 도시한다.
도 13 내지 도 20에서, 교정된 오리피스(111)는 상기 역압 공동(115)의 바닥으로부터 중공 형성된 압력 분배 공동(125)에 의해 역압 공동(115) 내로 들어갈 수 있는 것을 볼 수 있다.
동일한 도 13 내지 도 20에서, 압력 분배 공동(125)은 외부 원통형 링 표면(107)의 축방향 길이에 더 또는 덜 중심을 둔 압력 분배 홈(126)으로 구성될 수 있고, 상기 압력 분배 홈(126)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 전체 원주에 걸쳐 형성되는 것이 주목된다.
도 15 및 도 16은, 역압 공동(115)을 수용하는 외부 원통형 링 표면(107) 또는 내부 원통형 링 표면(106)의 2개의 축방향 림 중 적어도 하나가 에지 판(118)의 간극에서 종료하여, 압력 분배 챔버(119)에 포함된 링 유체(113)의 압력이 에지 판(118)의 상기 간격에 인접한 에어 쿠션 부양 표면(116)에 국부적으로 더 상승된 힘을 가할 수 있게 하는 것을 도시한다.
도 15 및 도 16에서, 또한 링 밀봉 수단(110)은 한편으로는 연속 천공 링(105)과 통합되고 다른 한편으로는 환형 홈(109)의 내부 또는 플랜지와 기밀 접촉을 수립하는 환형 밀봉 립(121)으로 형성될 수 있고, 상기 밀봉 립(121)은 연속 천공 링(105)에 장착되어 부착되고 또는 상기 링(105)과 동일한 재료 부재로 제조되는 것을 볼 수 있다. 대안적으로, 환형 밀봉 립(121)은 한편으로는 환형 홈(109)과 통합될 수 있고 다른 한편으로는 연속 천공 링(105)과 기밀 접촉을 수립할 수 있다. 이 경우, 상기 립(121)은 환형 홈(109)에 또는 상기 환형 홈의 플랜지 상에 장착되어 부착될 수 있거나 상기 홈(109)과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
도 17 및 도 18에 도시된 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)의 일 변형 예로서, 링 밀봉 수단(110)은 연속 천공 링(105)의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부 부근에 배치된 더 얇은 축방향 부분(139)으로 구성될 수 있고, 상기 부분(139)은 기밀 방식으로 환형 홈(109)과 통합되고 상기 부분은 연속 천공 링(105)의 직경이 상기 홈(109)의 직경에 대하여 증가하거나 감소할 수 있을 만큼 충분히 가요성이다. 더 얇은 축방향 부분(139)은 이 부분을 구성하는 재료가 상기 재료의 피로 강도 한계와 양립할 수 없는 반복된 힘 또는 링 유체(113)의 압력 중 어느 것에 항복하는 위험을 갖지 않도록 설계된다는 것이 주목된다.
도 12는 한편으로는 연속 천공 링(105)이 가요성 재료로 구성될 수 있고 상기 링(105)의 직경을 감소시키는 경향이 있는 적어도 하나의 원주방향 환형 스프링(123)을 포함하는 것을 도시한다. 상기 가요성 재료는 연마 방지 또는 마찰 방지 입자로 밸러스트(ballasted)된 것인지 여부에 상관 없이 엘라스토머 또는 폴리머일 수 있는 반면, 원주방향 환형 스프링(123)은 홈, 안착부, 또는 단부 정지부에 의해 상기 재료의 표면에 유지되거나 상기 재료에 통합될 수 있다는 것이 주목된다. 원주방향 환형 스프링(123)은 나선면(helicoidal) 같은 밸브 스템 밀봉 가스켓, 분할 링 또는 원하는 기능을 수행할 수 있는 임의의 다른 유형일 수 있다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)의 도 13 내지 도 18에 도시된 변형 예는, 압력 분배 챔버(119)가, 압력 전달 회로(114)로부터 오는 링 유체(113)를, 교정된 오리피스(111)를 떠나기 전에, 내부 원통형 링 표면(106)의 가능한 가장 큰 표면 위로 스위프하게 하는 링 유체 분산 수단(124)을 수용할 수 있는 것을 도시한다. 이러한 배열에 의해 링 유체(113)는 연속 천공 링(105)을 냉각시킬 수 있고 상기 연속 천공 링은 상기 유체(113)에 열의 일부를 전달할 수 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 링 유체 분산 수단(124)은 환형 홈(106)의 바닥에 수용된 분산 판(136)으로 구성될 수 있고, 상기 판(136)의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부는, 압력 전달 회로(114)로부터 오는 링 유체(113)를, 그 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부에 의해 압력 분배 챔버(119) 내로 배출하게 하는, 분산 판의 적어도 하나의 오리피스 또는 측방향 홈(137)을 구비한다.
도 12는, 환형 홈(109)이, 연속 천공 링(105)이 상기 홈(109)으로 침투하는 것을 제한하는 반경방향 환형 단부 정지부(127)를 구비할 수 있는 것을 도시하고, 여기서 상기 단부 정지부(127)는 환형 홈(109)의 바닥을 구성하는 원통형 표면, 또는 상기 홈(109)의 바닥에 배열된 적어도 하나의 원형 리지(ridge) 또는 스터드(stud), 또는 상기 홈(109)의 양측 중 적어도 일측에 배치된 적어도 하나의 챔퍼(chamfer) 또는 플랜지일 수 있으나 이들로 제한되지 않는다.
도 4 및 도 5에서 압력 전달 회로(114)는 팽창 실린더(13)와 평행하고 팽창 피스톤(15)과 통합된 압력 공급 파이프(128)로 구성될 수 있고, 상기 파이프(128)의 제1 단부는 상기 피스톤(15) 내로 배출하는 반면, 상기 파이프(128)의 제2 단부는, 길이방향으로 그리고 기밀 방식으로, 파이프가 이동할 수 있는 압력 챔버 보어(130)를 통해, 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 챔버(129) 내로 배출하는 것을 볼 수 있다.
압력 챔버 보어(130) 내에서 병진 이동하는 압력 공급 파이프(128)의 제2 단부는 밀봉을 생성하도록 상기 보어(130) 내에서 슬라이딩하는 밀봉부를 포함할 수 있다는 것이 주목된다. 대안적으로, 압력 챔버 보어(130)는 밀봉을 제공하도록 압력 공급 파이프(128)의 제2 단부 주위로 슬라이딩하는 밀봉부를 포함할 수 있다.
그러나, 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 팽창 피스톤 로드(68)와 같이, - 도 21에 도시된 것과 같은 - 파이프 밀봉부는 압력 공급 파이프(128)와 압력 챔버 보어(130) 사이에서 생성될 수 있고, 상기 파이프 밀봉부는 상부 로드 밀봉부(70)와 하부 로드 밀봉부(71)를 포함하고, 상기 상부 로드 밀봉부와 상기 하부 로드 밀봉부는 2개의 상기 밀봉부(70, 71) 사이에 오일 순환 챔버(72)를 형성하도록 충분히 상호 이격되고, 냉각-윤활 오일 공급 라인(73)은 이 오일 순환 챔버 내로 배출하고 냉각-윤활 오일 출구 라인(74)은 이 오일 순환 챔버로부터 떠나는 것이 주목된다.
이렇게 제조된 파이프 밀봉부에 의해 오일 순환 챔버(72)를 통해 냉각-윤활 오일 공급 라인(73)과 냉각-윤활 오일 출구 라인(74) 사이를 순환하는 오일은 한편으로는 압력 공급 파이프(128)와 상기 2개의 밀봉부(70, 71) 사이에 윤활을 보장하고, 다른 한편으로는 압력 공급 파이프(128)의 냉각을 보장할 수 있다.
도 4에서, 압력 공급 파이프(128)는, 팽창 피스톤(15)의 몸체에서 구현될 수 있거나, 또는 예를 들어, 밀봉 및/또는 팽창 가스킷을 갖거나 없는 파이프 조립체에 의해 팽창 피스톤(15)의 몸체에 부착될 수 있는, 적어도 하나의 반경방향 압력 입구 라인(131)에 의해 압력 분배 챔버(119)에 연결될 수 있는 것을 볼 수 있다.
압력 챔버(129)는 링 유체(113)가 가압 유체 공급원(112)으로부터 상기 챔버(129)로는 갈 수 있지만 상기 챔버(129)로부터 상기 공급원(112)으로는 갈 수 없게 하는 비례 압력 체크 밸브를 통해 가압 유체 공급원(112)에 연결될 수 있는 것이 주목된다. 이러한 특정 특징에 의해, 압력 공급 파이프(128)의 제2 단부의 전후 운동에 의해 생성된 압력 챔버(129)의 부피의 변화를 이용하여, 팽창 피스톤(151)이 그 상사점 부근에 있을 때 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력을 증가시킬 수 있다.
도 13, 도 14, 도 17 및 도 18은, 환형 홈(109)이 팽창 스프링(133)을 수용하고 이 팽창 스프링은 상기 홈(109)을 지지하며 내부 원통형 링 표면(106)에 반경방향 힘을 가할 수 있는 것을 도시하고, 여기서 상기 스프링(133)은 나선형, 판형(leaf), 물결형, 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 유형일 수 있다.
도 13 및 도 14에서, 팽창 스프링(133)은 환형 홈(109)과 연속 천공 링(105) 사이에 접촉에 의해 기밀을 생성할 수 있는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 13, 도 14, 도 17 및 도 18은 팽창 스프링(133)이 적어도 하나의 유체 분산 오리피스(134) 및/또는 적어도 하나의 유체 분산 홈(135)과 함께, 링 유체 분산 수단(124)을 구성하도록 적어도 하나의 유체 분산 오리피스(134) 및/또는 적어도 하나의 유체 분산 홈(135)을 구비할 수 있는 것을 더 도시한다.
발명의 기능:
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 기능은 도 1 내지 도 22를 참조하면 쉽게 이해된다. 이 기능의 상세를 제공하기 위해, 여기서 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진의 예시적인 실시예를 사용한다. 상기 예시적인 실시예는 저압 압축기(35) 및 고압 압축기(36)로 구성된 2-스테이지의 피스톤 유형 압축기를 요구하며, 여기서 저압 압축기의 출구는 중간 압축기 냉각기(37)를 통해 고압 압축기의 입구에 연결된다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 기능을 설명하기 위해 기본적으로 열원(12)에 의해 서로 구별되며, 도 1에 도시된 열원(12)은 연료 분사기(39)가 연소 챔버(40)에 공급하는 형태의 버너(38)를 요구한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 예시적인 실시예에 따르면, 저압 압축기(35) 및 고압 압축기(36)는크랭크 샤프트의 형태를 취하는 동일한 동력 출력 샤프트(17)에 의해 구동되는 한편, 팽창 피스톤(15)과 상기 샤프트(17) 사이의 기계적 전달 수단(18)은 커넥팅 로드(42)로 구성되고, 이 커넥팅 로드의 일 단부는 상기 피스톤(15)과 통합된 크로스헤드(44)에 의해 팽창 피스톤(15)에 관절식으로 연결되고, 타단부는 동력 출력 샤프트(17)와 통합된 크랭크(43) 주위에 관절식으로 연결된다.
저압 압축기(35) 및 고압 압축기(36)는 유사한 수단에 의해 동력 출력 샤프트(17)에 연결되는 것이 주목된다.
또한 도 2에서 흡입 계량 밸브(24)는 고온 가스 흡입 라인(23)의 입구를 개방하는데 상기 흡입 계량 밸브는 팽창 실린더(13)로부터 멀어지는 방향으로 이동함으로써 차단되는 반면, 배기 밸브(31)는 팽창 가스 배기 라인의 입구(28)를 개방하는데 이 배기 밸브는 상기 실린더(13)에 더 가까이 이동하는 것에 의해 차단되고, 여기서 상기 밸브(24, 31)의 안착부들은 상기 실린더(13)의 외측 및 내측으로 각각 배향된다는 것이 주목된다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 기능에 대한 설명은 또한 팽창 실린더(13) 및 이 팽창 실린더가 상호 작용하는 다른 요소들을 3차원으로 도시하는 도 4 및 도 5를 참조하며, 상기 실린더(13)는 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 것이다.
하지만, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 - 비-제한적인 예시적인 실시예에서 - 일단 시작되면 그리고 일단 기능이 안정화되면 다음 방식으로 기능하는데, 즉 저압 압축기(35)는 압축기 입구 라인(3)을 통해 대기 공기를 취한다. 상기 공기의 온도 및 압력은 각각 20℃ 및 절대압력 1바(bar)이다. 그 다음, 저압 압축기(35)는 상기 공기를 10바의 압력 및 290℃ 정도의 온도에서 전달한다. 고압 압축기(36)의 입구에 도달하기 전에, 상기 공기는 중간 압축기 냉각기(37)에서 냉각되어, 상기 공기의 온도는 20℃ 부근으로 다시 떨어지고, 그 압력은 10바에서 변함 없이 유지된다. 이러한 중간 냉각은 고압 압축기(36)의 부피 효율을 향상시키고 동력 출력 샤프트(17) 상의 상기 압축기(36)의 능력 저하(working drawdown)를 감소시킨다.
상기 공기를 수신하는 고압 압축기(36)는 이 공기를 흡입하고 과급하여, 이 공기를 20바의 압력 및 85℃ 정도의 온도에서 압축기 출구 라인(4)으로 전달한다.
이 공기는 이후 압축기 출구 라인(4)에 의해 고압 재생 라인(6)으로 보내지고, 여기서 공기는 저압 재생 라인(7)의 열을 받는다. 저압 재생 라인(7)과 고압 재생 라인 라인(6) 사이의 열 전달은 재생 열 교환기(5)에서 발생하는데, 이 재생 열 교환기는 이 경우에 효율이 특히 높은 역류 열 교환기(41)이다.
이 가스는 여전히 20바에 있으나 300℃에 가까운 온도로 고압 재생 라인(6)을 떠나는 반면, 저압 재생 라인(7)을 떠나는 가스는 1바의 압력 및 90℃ 정도의 온도로 간다.
일단 고압 재생 라인(6)을 빠져 나가면, 300℃의 가스는 고압 재생 출구 라인(9)으로 들어가서, 버너(38)의 연소 챔버(40)로 가고 거기서 연료 분사기(39)에 의해 상기 챔버(40) 내로 분사된 연료가 연소된 후에 가스의 온도는 1100℃까지 상승한다. 이들 가스의 압력은 여전히 20바이다.
그 후, 가스는 고압 재생 출구 라인(9)을 떠나 고온 가스 흡입 라인(19)으로 가고, 이 고온 가스 흡입 라인은 가스를 팽창 실린더(13)로 전달하고, 이 가스는 이제 1100℃의 온도 및 여전히 20바의 압력으로 팽창 실린더에 흡입된다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 기능을 설명하는 이 단계에서, 도 2 및 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 팽창 피스톤(15) 위에 위치된 전달-팽창 챔버(16)에서 발생하는 것만을 설명하지만, 팽창 피스톤(15) 아래에 위치된 전달-팽창 챔버(16)도 정확히 동일한 방식으로 기능하는 것으로 이해된다.
팽창 피스톤(15)이 하사점(bottom dead center)에 있다면, 이 팽창 피스톤은 상사점 쪽으로 상승하며, 이전에 20바 및 1100℃로부터 1바 및 310℃로 팽창한 고온 가스를 팽창 가스 배기 라인(26) 내로 방출한다.
팽창 피스톤(15)이 상사점 부근에 도달하면, 배기 밸브(31)는 전달-팽창 챔버(16) 내의 일정량의 잔류 배기 가스를 폐쇄하여 포획한다. 상기 밸브(31)의 폐쇄 순간은, 팽창 피스톤(15)이 상사점에 도달할 때 상기 가스의 압력 및 온도가 각각 20바 및 1100℃까지 상승하도록 설계된다. 따라서, 이 순간은 기본적으로 상기 팽창 피스톤(15)이 상기 상사점에 도달할 때 상기 팽창 피스톤 위에 남아 있는 사부피(dead volume)에 의존한다.
따라서, 팽창 피스톤(15)이 상사점에 도달할 때, 전달-팽창 챔버(16)에 포획된 가스의 압력 및 온도는 고온 가스 흡입 라인(19)에 포함된 가스의 압력 및 온도와 동일하다. 바로 이 순간에 흡입 계량 밸브(24)가 개방되어 상기 라인(19)과 상기 챔버(16) 사이에 연결을 수립한다. 상기 흡입 계량 밸브(24)의 동기화가 불완전한 것으로 인해 전달-팽창 챔버(16) 내의 임의의 과압을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 팽창 실린더 헤드(14)는, 도 1에 도시된 변형 예에 따라, 일단 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력이 고온 가스 흡입 라인(19)에 나타나는 압력보다 더 크면 개방되는 압력 등화 밸브(49)를 구비할 수 있다.
팽창 피스톤(15)이 상사점에 있고, 흡입 계량 밸브(24)는 개방되고, 가스의 압력과 온도가 고온 가스 흡입 라인(23)의 입구의 양측에서 동일하면, 팽창 피스톤(15)은 하사점 쪽으로 하강하기 시작한다.
그렇게 할 때, 고온 가스 흡입 라인(19)에 포함된 1100℃ 및 20바의 가스가 전달-팽창 챔버(16) 내로 들어가는 한편, 팽창 피스톤(15)은 동력 출력 샤프트(17) 상에 제1 일을 생성한다. 상기 가스의 특정 양이 전달-팽창 챔버(16) 내로 전달되면, 흡입 계량 밸브(24)가 폐쇄되고 상기 가스의 팽창이 시작되어 팽창 피스톤(15)이 동력 출력 샤프트(17) 상에 제2 일을 생성한다. 팽창 피스톤(15)이 하사점에 도달할 때, 상기 가스의 압력은 절대 압력 1바의 대기압과 실질적으로 동일한 한편, 상기 가스의 온도는 310℃ 정도이도록 상기 특정 양이 제공된다.
팽창 피스톤(15)이 하사점에 도달하면, 팽창 피스톤은 다시 상사점을 향해 상승하며, 이전에 상기 피스톤(15)에 의해 20바 및 1100℃로부터 1바 및 310℃까지 팽창한 고온 가스를 팽창 가스 배기 라인의 입구(28)를 통해 배출한다. 이것은 새로운 사이클의 시작을 의미한다.
도 7의 압력/부피 다이어그램은 전달-팽창 챔버(16)에서 발생하는 사이클의 과정을 도시한다. 상기 도 7에서, - 도 8, 도 9 및 도 10의 경우에서와 같이 - 팽창 피스톤(15)의 하사점은 "PMB"로 표기되는 반면, 상기 피스톤(15)의 상사점은 "PMH"로 표시된다는 것이 주목된다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 기능을 설명하기 위해 도 7에 사용된 예에 따르면, 팽창 피스톤(15)에 의해 생성된 행정(AB)은 전달-팽창 챔버(16)에 포함된 가스의 압력이 1바이고 상기 가스의 온도는 310℃일 때 일어난다.
행정(BC) 동안, 팽창 피스톤(15)은 배기 밸브(31)에 의해 전달-팽창 챔버(16)에서 포획된 잔류 배기 가스를 압축하여, 상기 가스의 압력 및 온도를 각각 20바 및 1100℃로 변화시킨다.
행정(CD)은 고온 가스 흡입 라인(19)에 포함된 1100℃ 및 20바의 가스가 전달-팽창 챔버(16)로 전달되는 동안 팽창 피스톤(15)이 동력 출력 샤프트(17) 상에 제1 일을 생성하는 것에 대응한다.
이어서 행정(DA)은 흡입 계량 밸브(24)에 의해 조절된 양만큼 전달-팽창 챔버(16)로 이전에 전달된 가스가 팽창하여, 팽창 피스톤(15)이 하사 점에 도달할 때 상기 가스의 압력이 절대 압력 1바의 대기압과 실질적으로 동등하게 되는 것에 대응한다. 상기 가스의 팽창에 의해 팽창 피스톤(15)이 동력 출력 샤프트(17) 상에 제2 일을 생성한다.
도 8의 압력/부피 다이어그램은 흡입 계량 밸브(24)의 다른 제어 전략을 도시하는데, 여기서 상기 전략은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 비토크(specific torque)를 최대화하여 일정한 속력에서 상기 엔진(1)의 비동력(specific power)을 최대화하기 위해 제공된다.
도 8에 도시된 다이어그램에서, 도 7의 다이어그램에 비해, 흡입 계량 밸브(24)의 폐쇄 순간("D")이 "D'"로 표시된 지점까지 지연되었다. 따라서, 고온 가스 흡입 라인(19)으로부터 전달-팽창 챔버(16)로 1100℃ 및 20바의 가스가 더 많이 전달된다.
이러한 과잉의 가스가 흡입되면, 팽창 피스톤(15)의 행정(D'A)은 상기 가스를 절대 압력 1바로 팽창시키는데 부적절하게 된다. 그 결과, 배기 밸브(31)가 개방될 때, 가스의 압력은 여전히 예를 들어 3바이지만, 그 온도는 여전히 520℃이다. 한편, 가스의 일 면적은 상당히 증가하지만, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율은 상당히 감소한다.
도 8에서 행정(AB 및 BC)은 도 7에 도시된 대응하는 행정들에 비해 변함 없이 유지되는 것이 주목된다.
또한 배기 밸브(31)의 개방시, 도 8에 제공된 바와 같이 팽창을 종결(truncation)시키는 것에 기인한 가스의 과도한 온도는 기본적으로 재생 열 교환기(5)에 의해 재순환되어 고압 압축기(36)로부터 수신된 가스를 과열시킨다. 그 결과 상기 과잉은 이에 따라 버너(38)가 1100℃에서 다음 사이클에 수반되는 가스의 온도를 상승시키기 위해 생성할 필요가 있는 열을 감소시킨다.
상기 종결의 결과 회수되지 않은 구동 에너지는 손실된다.
도 9의 압력/부피 다이어그램은 흡입 계량 밸브(24) 및 배기 밸브(31)의 또 다른 제어 전략을 도시한다. 상기 변형예는 동일한 속력에서 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 비토크를 감소시켜 상기 엔진(1)의 비동력을 감소시키기 위해 제공된다. 이 변형예는 많은 사용 상황에서 상기 엔진(1)의 동력 감소를 조절하는데 유리하는 것으로 입증될 수 있다.
도 9의 상기 다이어그램에서, 도 7의 다이어그램에 비해, 흡입 계량 밸브(24)의 폐쇄 순간("D")은 "D '"로 표시된 지점으로 앞당겨졌다. 따라서, 고온 가스 흡입 라인(19)으로부터 전달-팽창 챔버(16)로 1100℃ 및 20바의 가스가 더 적게 전달된다.
이 흡입된 가스의 양이 불충분한 결과 팽창 피스톤(15)이 "PMB"로 표시된 하사점까지 절대 압력 1바 미만의 압력으로 가스를 팽창시킨다. 따라서, 도 9에 설명된 전략은 팽창 피스톤(15)이 상기 가스를 압력이 절대 압력 1바이고 온도가 300℃ 정도가 될 때까지 재압축할 것을 요구한다. 이 팽창 후 재압축하는 것은 도 9에서 "DC"로 표시된다. 가스의 재압축은, 배기 밸브(31)가 도 7에 도시된 상기 밸브(31)의 개방 순간을 상기시키는 동일한 도 9에 도시된 지점 "A"에 비해 크게 지연된 "A'"로 표시된 지점에서 개방될 때 발생한다.
도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 가스의 일 면적은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 지시된 효율을 상실하지 않으면서 도 7에 도시된 것에 비해 크게 감소되었다.
도 9에 도시된 전략을 효과적으로 수행하기 위해 압축기(2)는 압축기 입구 라인(3)을 통해 더 적은 대기 공기를 취해야 한다는 것이 주목된다. 이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 압축기(2)는 대기 공기를 더 또는 덜 흡입시키기 위해 압축기 흡입 계량 밸브 액추에이터(67)에 의해 제어되는 개방과 폐쇄를 갖는 압축기 흡입 계량 밸브(66)를 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 대안으로서, 흡입된 공기(142)를 조절하기 위한 스로틀이 압축기 입구 라인(3) 상에 제공되어 압축기(2)의 흡입 압력을 조절할 수 있다.
도 10에 도시된 또 다른 전략은 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율을 최대화하기 위해 팽창하는 동안 가스의 온도 강하를 제한하거나 심지어 저지하는 것으로 구성된다. 이 전략은 전달-팽창 챔버(16) 내로 들어가는 노즐을 갖는 온도 유지 연료 분사기(140)를 사용할 것을 요구한다.
상기 언급된 바와 같이, 상기 도 10의 가스의 일 면적은 도 7의 일 면적과 유사하다. 비록 그렇다 하더라도, 도 7의 다이어그램에 비해, 흡입 계량 밸브(24)의 폐쇄 순간("D")이 "D'"로 표시된 지점까지 앞당겨졌다는 것이 주목된다. 이것은 팽창 피스톤(15)에 의해 생산된 유사한 일 면적으로 끝나기 위해서는 더 적은 일이 압축기(2)에 의해 수행된다는 것을 의미한다.
이 전략은 1100℃에 유지되는 가스의 최대 온도를 증가시키지 않고도 사용될 수 있다는 것이 주목된다. 이러한 결과를 달성하기 위해, 일단 흡입 계량 밸브(24)가 "D'"로 표시된 지점으로 폐쇄되면, 온도 유지 연료 분사기(140)는 팽창하는 동안 고온 가스에 연료를 분사하고, 상기 연료는 상기 고온 가스와 접촉시 순간적으로 점화되고, 상기 고온 가스에는 여전히 산소가 농후하다.
상기 연료의 흐름률은, 예를 들어, 도 10에서 "DI"로 표시된 전체 분사 공정 동안 상기 가스의 팽창에도 불구하고 상기 가스의 온도가 1100℃ 부근에 유지되도록 계산된다.
도 10에서 "FI"로 표시된 분사의 종료는 이 가스를 수신하도록 설계된 재생 열 교환기의 열역학적 강도를 고려하여 팽창 종료시 가스의 온도가 허용 가능한 온도 - 예를 들어, 600℃ - 를 유지하도록 계산된다.
도 10에 도시된 전략은 필연적으로 행정(BC) 종료시 가스의 온도를 1100℃를 초과하는 온도로 올라가게 한다는 것이 주목된다. 이것을 고려하여, 질소 산화물이 과도하게 형성되는 것을 방지하기 위해, 상기 전달-팽창 챔버(16)는 - 온도 유지 연료 분사기(140) 이외에도 - 상기 챔버(16) 내에 포함된 고온 가스의 온도를 질소 산화물이 대량 형성되는 임계값 아래로 유지하기 위해 상기 챔버(16) 내로 물을 분사하는 NOx 방지 물 분사기(141)를 구비할 수 있다.
1100℃를 초과하는 온도는 매우 짧은 지속 기간 동안 행정(BC)의 종료시에만 발견되기 때문에 상기 온도는 팽창 실린더(13), 팽창 실린더 헤드(14) 또는 팽창 피스톤(15)의 열역학적 강도에 상당한 영향을 미치지 않는다는 것이 주목된다.
쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 온도 유지 연료 분사기(140)를 사용하는 또 다른 방법은 상기 고온 가스가 상기 전달-팽창 챔버(16) 내로 흡입되는 순간에 상기 흡입 계량 밸브(24)에 의해 상기 전달-팽창 챔버(16) 내로 흡입되는 고온 가스의 온도를 일시적으로 상승시키는 것이다. 도 7에서, 이것은 행정(CD) 동안 연료 분사가 발생하는 것으로 이해될 수 있다. 이 전략의 결과 주요 구성 요소들의 열역학적 강도를 손상시키지 않으면서 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율을 증가시키지만, 이에 의해 질소 산화물의 함량이 잠재적으로 상승한 배기 가스를 생성한다.
이 경우, 팽창 가스 배기 라인(26)은 예를 들어 질소 산화물을 우레아(urea)(미도시)로 후-처리하기 위한 촉매를 포함할 수 있으며, 여기서 이 우레아는 유리하게는 상기 산화물을 감소시키기 위해 상승된 가스 온도를 갖는다.
전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 최적의 효능을 위해, 고압 재생 출구 라인(9), 고온 가스 흡입 라인(19), 팽창 실린더(13) 및 팽창 실린더 헤드(14)의 내부 벽들의 온도는 이들 다양한 요소(9, 19, 13 및 14)들에 포함된 고온 가스의 온도와 유사하다는 것이 주목된다. 이는 도 7에 도시된 사이클을 거의 단열 방식으로 동작시킬 수 있게 한다. 이를 위해, 상기 요소들은 예를 들어 알루미나, 지르코니아 또는 실리콘 탄화물에 기초한 세라믹으로 만들어진다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 흡입 계량 밸브(24) 및 배기 밸브(31) 및 이들 각각의 안착부 및 안내부는 열 전달제가 순환하는 밸브 냉각 회로(51)에 의해 국부적으로 냉각된다.
사이클이 수행되어 팽창 피스톤(15)이 동력 출력 샤프트(17)에 원하는 일을 제공하게 되면, 상기 피스톤(15)에 의해 팽창 가스 배기 라인(26)으로 방출된 가스는 재생 열 교환기(5)의 저압 재생 라인(7)에 도달한다. 이 라인(7)에서, 상기 가스는 고압 재생 라인(6)에서 순환하는 공기에 열의 일부를 전달한다. 그 결과, 상기 가스의 온도는 약 90℃로 떨어지는 반면, 그 압력은 절대압력 약 1바에 변함 없이 유지된다. 이후 상기 가스는 대기 중으로 방출된다.
고압 압축기의 출구로부터 엔진 출구 라인(33)까지의 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)에 가능한 최상의 효율을 부여하기 위해, 상기 엔진(1)을 구성하는 여러 고온 요소들 및 라인들은 열 손실을 제한하는 단열 재료 및/또는 구조물로 코팅될 수 있는 것으로 관찰된다. 비-제한적인 예로서, 상기 재료는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 임의의 내화물질 및 등온물질 유형일 수 있는 반면, 상기 구조물은 적어도 열 차폐물 형태를 취할 수 있다.
또한, 실제 가능한 최상의 동작 조건 하에서 팽창 피스톤(15)과 팽창 실린더(13) 사이에 최상의 가능한 기밀성을 보장하는 것이 본질적이기 때문에, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)에 효과적이고 내구성 있는 기능을 부여하는데 피스톤 밀봉 수단(53)이 - 특히 연속 천공 링(105)으로 구성될 때 - 결정적인 역할을 하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)의 기능은 단지 예로서 특히 O 링(132)으로 구성된 링 밀봉 수단(110)을 도시하고 개시하는 도 19 및 도 20을 참조하면 이해될 수 있다.
상기 도 19 및 도 20에서, 원으로 둘러싸인 "+" 및 "-" 기호는, 한편으로는 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력과, 다른 한편으로는 압력 분배 홈(126), 역압 홈(117) 및 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력 사이의 차이를 나타내기 위해 추가된 것이라는 점이 주목된다.
전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 최대 압력은 20바인 반면, 가압 유체 공급원(112)은 최대 압력이 40바인 링 유체(113)의 흐름률을 생성한다고 가정한다. 이러한 압력 값들은 예시로서 주어진 것이고, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)을 설계하는 데 관련된 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자가 채택할 수 있는 압력 변화를 제한하려고 의도된 것이 전혀 아니다.
도 1 및 도 2에서, 여기에 제시된 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 특정 예시적인 실시예에 따라, 가압 유체 공급원(112)은 동력 출력 샤프트(17)에 의해 구동되는 피스톤형 공압 유체 압축기(120)라는 것이 주목된다. 유리하게는, 저압 압축기(35)의 피스톤과 고압 압축기(36)의 피스톤은 팽창 피스톤(15)의 것과 유사한 밀봉 수단이 동일하게 장착되고, 따라서 상기 수단 자체는 가압 유체 공급원(112)을 이용한다. 상기 도 1 및 도 2에서, 저압 압축기(35)의 피스톤의 밀봉에 협력하는 압력 챔버(129)에 공급되는 가압 유체 공급원(112)은 바로 고압 압축기(36)인 반면, 공압 유체(120)의 피스톤형 압축기는 팽창 피스톤(15)과 고압 압축기(36)의 피스톤의 밀봉에 협력하는 압력 챔버(129)들에 공급한다는 것이 주목된다.
또한 도 1 및 도 2에서, 공압 유체(120)의 압축기의 입구는 링 유체 냉각기(54) 및 이후 링 유체 필터(138)를 통해 고압 압축기(36)의 출구에 연결된다는 것이 주목된다. 이들 동일한 도 1 및 도 2에서, 공압 유체(120)의 압축기의 출구는 고압 압축기(36)의 피스톤의 밀봉에 협력하는 압력 챔버(129)에 직접 연결되는 반면, 상기 출구는 링 유체 온도 조절기(55)의 위치에 따라 링 유체 냉각기(54)를 통해 또는 직접 팽창 피스톤(15)의 피스톤의 밀봉에 협력하는 압력 챔버(129)에 연결될 수 있다. 따라서, 링 유체 온도 조절기(55)는 팽창 피스톤(15)의 피스톤의 밀봉에 협력하는 압력 챔버(129) 내로 도입되는 링 유체(113)의 온도를 조절할 수 있다.
도 19는 가압 유체 공급원(112)이 링 유체(113)를 막 배출되기 시작하고 압력 분배 챔버(119)가 막 압력이 상승하기 시작할 때 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)을 도시한다. 이 단계에서, 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력은 여전히 단지 절대압력 1바라고 가정한다.
압력 분배 챔버(119)는 특히 O-링(132)으로 인해 기밀성 있게 형성되고 링 유체(113)는 상기 챔버(119)로부터 빠져 나가는, 교정된 오리피스(111)와 다른 출구를 갖지 않는다는 것이 주목된다. 도 19에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)의 동작 단계에서, 가압 유체 공급원(112)으로부터 오는 링 유체(113)의 전체 흐름률은 아직 수립되지 않았으므로, 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력은 단지 10바이다. 비록 40바의 압력이 가압 유체 공급원(112)에 의해 아직 생성되지는 않았더라도, 교정된 오리피스(111)를 통한 링 유체(113)의 누출에도 불구하고, 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력이 압력 분배 홈(126), 역압 홈(117) 및 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력보다 더 크기 때문에, 연속 천공 링(105)이 불룩(swell)해지기 시작한다는 것이 주목된다. 연속 천공 링(105)이 불룩해지는 것은 점선 화살표로 표시된다. 교정된 오리피스(111)를 빠져 나가는 링 유체(113)의 흐름률은 압력 분배 홈(126), 역압 홈(117), 및 팽창 피스톤(15)과 팽창 실린더(13) 사이의 유격에 의해 형성된 갭을 통해 각각 전달-팽창 챔버(16)로 복귀한다.
교정된 오리피스(111)의 단면과, 가압 유체 공급원(112)에 의해 생성된 링 유체(113)의 흐름률은, 링 유체(113)가 교정된 오리피스(111)를 통해 빠져 나가는 경우에도 - 상기 공급원(112)에 의해 효과적으로 생성될 때 - 40바의 압력이 압력 분배 챔버(119) 내에 유지될 수 있다는 것이 주목된다. 이것을 요약해서 말하면, 연속 천공 링(105)이 부풀어 오르는 것을 제한하는 장애물이 없으면, 연속 천공 링이 완벽히 기밀성인 것처럼, 즉 연속 천공 링이 교정된 오리피스(111)를 갖지 않는 것처럼 연속 천공 링이 부풀어 오를 수 있을 만큼 가압 유체 공급원(112) 측으로부터 링 유체(113)의 흐름을 충분히 수신할 수 있다고 말할 수 있다.
연속 천공 링(105)의 반경방향 두께는 - 상기 링(105)을 구성하는 재료의 탄성을 고려하여 - 40바의 압력이 내부 원통형 링 표면(106)에 가해질 때, 연속 천공 링(105)의 외부 직경이 팽창 실린더(13)의 내부 직경보다 더 크지 않거나 적어도 같도록 계산된다.
압력 분배 챔버(119)에서 압력이 점차적으로 상승함에 따라, 연속 천공 링(105)의 직경은 에어 쿠션 부양 표면(116)이 팽창 실린더(13)의 벽으로부터 매우 약간의 거리에 있을 때까지 증가한다. 이것은 도 20에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)이 기능하는 이 단계에서, 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이에 상당한 수두 손실(head loss)이 발생하며, 상기 손실은 링 유체(113)의 통과를 저지한다. 그 결과, 압력 분배 홈(126)과 역압 홈(117)에 나타나는 압력은 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력에 가까운 점까지 증가한다. 그 결과, 상기 챔버(119)에 나타나는 압력은 에어 쿠션 부양 표면(116)의 영역을 제외하고는 연속 천공 링(105)에 반경방향 힘을 더 이상 가하지 않게 된다. 이후, 스프링의 성질을 제공하는 탄성이 있어 부풀어 오르는 것에 저항하는 것으로 인해, 연속 천공 링(105)은 수축하여, 한편으로는 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이의 수두 손실을 감소시키고, 다른 한편으로는 압력 분배 홈(126)과 역압 홈(117)에 나타나는 압력을 감소시키는 효과를 가져서, 연속 천공 링(105)이 다시 부풀어 오르게 한다.
확인할 수 있는 바와 같이, 한편으로는 연속 천공 링(105)의 강성에 기인하고 상기 연속 천공 링이 부풀어 오르는 것을 저지하는 수축력, 및 다른 한편으로는 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이에서 발생된 수두 손실이 연속 천공 링(105)에 상대적으로 불안정한 상황을 초래한다. 실제, 상기 링(105)의 직경이 증가할 때, 상기 직경이 증가하는 것을 초래한 조건들은 사라지는 반면, 상기 링(105)의 직경이 감소할 때, 상기 증가를 초래한 조건들은 다시 제 자리에 있다.
그 결과 에어 쿠션 부양 표면(116)은 팽창 실린더(13)로부터 매우 짧은 거리에서 상대적으로 안정된 중간 위치를 취하는 것 외에 다른 선택사항을 갖지 않는다. 상기 거리는, 팽창 피스톤(15)과 팽창 실린더(13) 사이의 초기 유격으로부터, 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력으로부터, 연속 천공 링(105)의 강성으로부터, 및 링 유체(113)의 압력에 노출되는 내부 원통형 링 표면(106)의 전체 축방향 길이에 비해 에어 쿠션 부양 표면(116)의 전체 축방향 길이로부터 기인한다. 상기 거리는 또한 그 자체가 추가적인 수두 손실을 구성하는 역압 홈(117)의 깊이로부터 초래된다.
여기에서 고려되는 예시적인 기능에 따르면, 일단 40바의 압력이 압력 분배 챔버(119)에 수립되면, 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이의 거리는 수 미크론 정도이거나 미크론 정도 또는 심지어 미크론의 분율 정도일 수 있다. 이 거리는 짧은 거리이고 이는 링 유체(113)의 흐름이 역압 공동(115)으로부터 전달-팽창 챔버(16)로 여전히 가지만 역으로는 가지 않는 것과 결합하여, 팽창 피스톤(15)과 팽창 실린더(13) 사이에 우수한 밀봉을 생성한다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)의 특정 기능 모드를 고려하여, 상기 연속 천공 링(105)은 팽창 실린더(13) 내에 중심을 두고 상기 팽창 실린더(13)의 원형도(circularity) 또는 원통도(cylindricity)에 있는 임의의 결함을 수용하는 자연스러운 경향을 갖는다는 것이 주목된다. 실제 연속 천공 링(105)의 위치는 첫째 그 강성으로 인해 상기 링(105)의 일반적인 수축력, 및 둘째 연속 천공 링(105)의 축방향 길이 및 주변부의 각 지점에 가해진 국부적인 반경방향 힘 사이에 균형(equilibrium)으로부터 기인하고, 상기 힘은 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이의 공기 역학적인 상호 작용에 기인한다.
또한, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)은 그 설계시 다양한 조절을 가능하게 한다는 것이 주목된다. 예를 들어, 다른 모든 것들이 동일하다면, 교정된 오리피스(111)의 단면의 치수는 특히 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이에 남은 거리를 결정하고, 상기 거리는 특히 그 두께에 따라 연속 천공 링(105)의 강성에 의해 조절된다.
방금 설명된 기능으로부터, 가압 유체 공급원(112)에 의해 생성된 압력이 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력보다 항상 더 큰 것이 본질적이라는 것이 쉽게 추론될 수 있다. 이는 - 충분히 긴 시간 기간 동안 - 가압 유체 공급원(112)에 의해 생성된 압력을 전달-팽창 챔버(16)에서 발생하는 최대 압력에 적응시키는 가능성을 배제하지 않는다. 그러나, 압력 챔버(129)가 비례 압력 체크 밸브(140)를 갖는다면, 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력은 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력과 같이 짧은 시간 동안 변할 수 있다는 것이 주목된다. 이 전략은, 예를 들어, 상기 피스톤 밀봉 수단(53)을 수용하는 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 팽창 피스톤(15)이 팽창 실린더(13)와 함께 단일 전달-팽창 챔버(16)만을 형성하는 경우 채용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)은 팽창 피스톤(15)과 팽창 실린더(13) 사이에 효과적이고 내구성 있는 밀봉을 생성하는 강력한 해결책을 구성하는 것으로 이해된다.
실제, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)은 팽창 실린더(13) 및 팽창 피스톤(15)의 동작 온도가 1000℃ 이상일 것을 요구한다. 이러한 온도에서는 세그먼트 또는 링에 임의의 종류의 오일 윤활제를 사용할 수 없다. 또한, 상기 실린더(13) 및 상기 피스톤(15)을 제조하는데 사용되는 재료에 관계 없이, 알루미나, 지르코니아, 또는 실리콘 탄화물 또는 임의의 다른 재료에 기초한 세라믹이든 상관 없이, 이러한 온도에서는 상기 실린더(13)와 밀봉 세그먼트 또는 개스킷 사이에 임의의 접촉은 불가능하다.
비록 그렇다 하더라도, 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 상기 피스톤 밀봉 수단(53)은 실제 이들 동작 조건과 양립할 수 있다. 실제, 연속 천공 링(105)은 팽창 실린더(13)와 결코 접촉하지 않는데, 그 이유는 이 연속 천공 링은 비-제한적인 예로서 대기 공기일 수 있는 링 유체 막(113)에 의해 팽창 실린더로부터 분리되기 때문이다. 또한, 연속 천공 링(105)은 링 유체(113)의 흐름이 이 연속 천공 링을 통과하고 내부 원통형 링 표면(106) 및 외부 원통형 링 표면(107)을 스위프하는 것에 의해 일정하게 냉각된다. 이 냉각을 돕기 위해 압력 분배 챔버(119)는 도 13 내지 도 18에 도시된 것과 같은 링 유체 분산 수단(124)을 수용할 수 있다는 것을 상기하여야 한다. 특히, 상기 냉각은 단지 수 백℃에 불과한 강철의 어닐링 온도를 초과함이 없이 원하는 기계적 강도를 갖는 강철로 제조된 연속 천공 링(105)을 사용할 수 있게 한다. 1000℃를 초과하는 온도로 올라간 세라믹으로 제조된 팽창 실린더(13) 내에 수 백 도의 온도로 올라간 강철로 제조된 연속 천공 링(105)을 사용하는 것에 의해, 양호한 조건 하에서 상기 링(105)과 상기 실린더(13) 사이의 기능적 유격을 더 제어할 수 있는데, 이것은 계산에 의해 쉽게 입증된다. 이것은 상기 강철이 산화되는 것을 방지하는 층으로 피복되어 있는지 여부와 관계 없이 특히 강철의 팽창 계수가 세라믹의 팽창 계수를 초과하는 것에 기인한다.
또한, 연속 천공 링(105)을 냉각하면 그 결과 링 유체(113)를 국부적으로 가열할 수 있다는 것이 주목된다. 이는, 예를 들어, 이 유체가 대기 공기로 구성된 경우, 한편으로는 상기 유체(113)의 부피 흐름률을 심지어 질량 흐름률로 증가시키고, 다른 한편으로는 상기 유체(113)의 점성 및 따라서 부력을 증가시킨다. 이는 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 피스톤 밀봉 수단(53)이 원하는 조건 하에서 기능하도록 하면서 가압 유체 공급원(112)에 의해 생성된 링 유체(113)의 흐름률을 유리하게 감소시킬 수 있다. 또한, 링 유체를 압력 챔버(129) 내로 도입하기 전에 링 유체(113)의 온도를 조절하는 것이 가능하여, 이에 의해 연속 천공 링(105)의 동작 온도, 및 이에 따라 상기 링(105)과 팽창 실린더(13) 사이의 기능적 유격을 조절할 수 있다는 것이 주목된다.
또한 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이에 흐르는 링 유체(113)의 흐름률은 팽창 실린더를 영구적으로 세정(cleaning)하는 것을 보장한다는 것이 주목된다. 따라서, 모든 종류의 입자 및 잔류물이 팽창 실린더(13)에 점착될 수 없다. 또한, 전달-팽창 챔버(16) 내의 가스의 압력은 압력 분배 챔버(119)에 나타나는 압력보다 더 낮기 때문에 전달-팽창 챔버(16)로부터 오는 입자가 에어 쿠션 부양 표면(116)과 팽창 실린더(13) 사이를 통과할 수 없다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 에어 쿠션 부양 표면(116)의 최적 기능을 보장하기 위해, 링 유체(113)가 압력 분배 챔버(119) 내로 도입되기 전에 직경이 예를 들어 1 미크론을 초과하는 임의의 입자를 링 유체(113)에서 세정하는 링 유체 필터(138)를 제공할 수 있다는 것이 주목된다.
도 3은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 일 변형 예를 도시하며, 여기서 압축기(2)는 더 이상 저압 압축기(35) 및 고압 압축기(36)로 구성되지 않고, 단일 이중 작용 피스톤형 압축기로 구성된다. 그러나, 도 3에서 가스가 상기 압축기(2)의 흡입-운반 챔버(58)로 도입되기 전에 상기 압축기(2)는 압축기 입구 라인(3)에서 순환하는 가스 내로 액체 물(57)을 분무하는 물 분사기(56)와 협력한다는 것이 주목된다.
상기 가스 내에 액체 물(57)을 이렇게 첨가한 결과, 상기 가스가 등온선 부근에서 압축되는 일이 흡입-운반 챔버(58)에서 발생한다. 실제, 압축 동안, 액체 물(57)의 액적이 가해진 상기 가스는 열을 상기 액적으로 전달한다. 따라서, 상기 액적에 포함된 액체 물(57)의 일부는 상기 주변 가스가 액체 물(57)의 대응하는 잠열(latent heat)을 전달할 때 기화되는 반면, 다른 부분은 액체 상태로 남아서 온도가 상승하고, 상기 가스는 상기 다른 부분으로 액체 물(57)의 대응하는 현열(sensible heat)을 전달한다.
이 전략의 결과 상기 가스를 압축하기 위해 동력 출력 샤프트(17)로부터 탭핑되는 일이 상당히 감소된다. 압축에 저항하는 일이 이렇게 감소된다는 것은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율이 증가되는 것으로 이해된다.
기체 및 액체 물(57)의 혼합물이 압축기 출구 라인(4)을 통해 압축기(2)로부터 방출되면, 공기/물 분리기(59)는 액체 물 냉각기(77)에서 냉각된 후에 다시 한번 분사될 수 있는 비-기화된 액체 물(57)을 회수하는 일을 한다.
압축기(2)에서 기화된 액체 물(57)의 분율은 팽창 피스톤(15)에 의해 팽창되기 전에 버너(38)에서 예를 들어 1100℃의 온도까지 상승하도록 예정된 추가적인 가스 질량을 구성한다는 것이 주목된다. 이렇게 생성된 추가적인 유용한 일은 또한 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 효율에 유리하다.
다시 도 3을 참조하면, 압축기(2)에서 액체 물(57)이 기화된 분율의 손실을 보상하기 위해, 응축 가스 건조기(60)가 엔진 출구 라인(33) 상에 제공될 수 있다는 것이 주목된다. 상기 건조기(60)는 저압 재생 라인(7)으로부터 방출된 가스 내에 남아 있는 수증기의 일부를 응축시키는 기능을 구비하고, 상기 수증기는 물 분사기(56)에 의해 압축기 입구 라인(3) 내로 이전에 분무된 액체 물(57)이 압축기(2)에서 기화된 것으로부터, 및 연소 챔버(40) 내의 탄화수소의 연소로부터 동시에 오고, 상기 연소는 연료의 수소와 산화제가 결합하는 것에 의해 물을 생성하고 여기서 이 산화제는 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 본 예시적인 실시예에 따라 그리고 본 경우에는 대기 산소이다.
도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 변형예는 - 그 상대적인 복잡성으로 인해 - 특히 해상 추진과 같은 이동 산업 응용 또는 펌핑된 저장 또는 압축 유형의 발전소와 같은 고정 산업 응용에 적용되는 것으로 이해된다. 그러나, 특정 소형화 및 적절한 통합 노력을 유지하면, 상기 변형예는 또한 중량 또는 경량의 고속 수송 또는 임의의 제한 없이 임의의 다른 응용에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(1)의 가능성은 방금 설명된 응용으로 국한되지 않고, 나아가 전술된 명세서는 단지 예로서 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위를 결코 제한하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하고 본 발명의 범위는 설명된 실시 상세를 임의의 다른 등가의 것으로 대체하는 것으로 제한되지 않는다.

Claims (39)

  1. 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진(heat engine)(1)으로서,
    Figure pct00032
    압축기 입구 라인(3)을 통해 특정 압력에서 가스를 흡입하고 압축기 출구 라인(4)에서 더 높은 압력으로 상기 가스를 토출할 수 있는 적어도 하나의 압축기(2);
    Figure pct00033
    적어도 하나의 고압 재생 라인(6)과 적어도 하나의 저압 재생 라인(7)을 포함하는 적어도 하나의 재생 열 교환기(5)로서, 상기 고압 라인(6)의 제1 단부(8)는 상기 압축기 출구 라인(4)에 연결되는 반면, 상기 저압 재생 라인(7)에서 순환하는 상기 가스는 상기 고압 재생 라인(6)에서 순환하는 상기 가스에 열의 일부를 전달할 수 있는, 상기 적어도 하나의 재생 열 교환기(5);
    Figure pct00034
    상기 고압 재생 라인(6)을 포함하는 제2 단부(11)에 연결된 제1 단부(10)를 갖는 적어도 하나의 재생기 고압 출구 라인(9);
    Figure pct00035
    상기 재생기 고압 출구 라인(9)의 임의의 주어진 위치에 배치되고 상기 라인(9) 내에서 순환하는 가스를 과열시킬 수 있는 적어도 하나의 열원(heat source)(12);
    Figure pct00036
    적어도 하나의 팽창 실린더(13)로서, 상기 적어도 하나의 팽창 실린더의 적어도 하나의 단부는 상기 실린더(13)에 통합되거나 상기 실린더(13)에 부착된 팽창 실린더 헤드(14)에 의해 폐쇄되고, 상기 실린더(13)는 팽창 피스톤(15)을 수용하고, 상기 실린더는 상기 팽창 피스톤과 함께 가변 부피의 전달-팽창 챔버(16)를 형성하도록 기밀성(tightness)을 생성하고, 상기 피스톤(15)은 상기 실린더(13) 내에서 이동할 수 있고, 상기 피스톤(15)이 상기 팽창 실린더(13) 내에서 왕복 운동을 수행할 때 상기 피스톤(15)은 동력 출력 샤프트(17)에 연속적인 회전 운동을 부여하기 위해 기계적 전달 수단(18)에 의해 상기 동력 출력 샤프트(17)에 직접 또는 간접 연결되는, 상기 적어도 하나의 팽창 실린더(13);
    Figure pct00037
    상기 재생기 고압 출구 라인(9)을 포함하는 제2 단부(21)에 연결된 제1 단부(20)를 갖는 적어도 하나의 고온 가스 흡입 라인(19)으로서, 상기 흡입 라인(19)은 상기 고온 가스 흡입 라인(23)의 입구를 통해 상기 팽창 실린더(13) 내로 배출(empty)하도록 상기 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 제2 단부(22)를 구비하는, 상기 적어도 하나의 고온 가스 흡입 라인(19);
    Figure pct00038
    계량 밸브 액추에이터(metering valve actuator)(25)에 의해 동작되며 상기 고온 가스 흡입 라인(23)의 상기 입구를 개방 또는 차단할 수 있는 적어도 하나의 흡입 계량 밸브(24);
    Figure pct00039
    적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인(26)으로서, 상기 적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인은 상기 팽창 가스 배기 라인의 입구(28)를 통해 상기 팽창 실린더(13) 내로 배출하도록 상기 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 제1 단부(27)를 구비하고, 상기 배기 라인(26)은 상기 저압 재생 라인(7)을 포함하는 제1 단부(30)에 연결된 제2 단부(29)를 또한 구비하는, 상기 적어도 하나의 팽창 가스 배기 라인(26);
    Figure pct00040
    배기 밸브 액추에이터(32)에 의해 동작되며 상기 팽창 가스 배기 라인의 상기 입구(28)를 개방 또는 차단할 수 있는 하나 이상의 배기 밸브(31); 및
    Figure pct00041
    상기 저압 재생 라인(7)을 포함하는 제2 단부(34)의 연장부에 배치되거나, 또는 상기 제2 단부와 단일 부품을 구성하도록 제2 단부(34)와 결합된 적어도 하나의 엔진 출구 라인(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축기(2)는 2-스테이지이고, 저압 압축기(35)로 구성되고, 상기 저압 압축기의 출구는 중간 압축기 냉각기(37)를 거쳐 고압 압축기(36)의 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 상기 동력 출력 샤프트(17)는 상기 압축기(2)를 회전 구동시키는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압축기 입구 라인(3)은, 상기 가스를 흡입하는 상기 압축기(2)에 의해 형성된 흡입-운반 챔버(58)에 상기 가스가 흡입되기 전에, 상기 라인(3)에서 순환하는 상기 가스 내로 액체 물(57)을 분무할 수 있는 물 분사기(56)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압축기(2)는 물 분사기(56)가 배출하는 흡입-운반 챔버(58)를 형성하고, 상기 물 분사기는, 상기 가스가 상기 압축기(2)에 의해 상기 압축기 입구 라인(3)을 통해 흡입된 후, 상기 압축기(58) 내로 흡입된 상기 가스 내로 액체 물(57)을 분무할 수 있는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 압축기 출구 라인(4)은 공기/물 분리기(59)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 엔진 출구 라인(33)은 응축 가스 건조기(60)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압축기(2)는 압축기 흡입 계량 밸브 액추에이터(67)에 의해 개방과 폐쇄가 제어되는 압축기 흡입 계량 밸브(66)를 구비하고, 상기 밸브(66)는 상기 압축기(2)에 의해 형성된 흡입-운반 챔버(58)와 상기 압축기 입구 라인(3) 사이를 개방 및 연결시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고압 재생 라인(6)과 상기 저압 재생 라인(7)은 그 길이의 전부 또는 일부에 걸쳐 나란히 배치되고, 상기 고압 재생 라인(6)에 포함된 상기 가스의 순환 방향은 상기 저압 재생 라인(7)에 포함된 상기 가스의 순환 방향과 반대이며, 2개의 상기 라인(6, 7)은 역류(counterflow) 열 교환기(41)를 구성하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열원(12)은 연료 분사기(39)와 연소 챔버(40)로 구성된 버너(38)인 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열원(12)은, 범용 열원(47)으로부터 열을 추출하여 상기 열을 상기 고압 재생기 라인(9)에서 순환하는 상기 가스에 직접 전달하거나 또는 2차 열 수송 회로(48)를 통해 전달하는 1차 열 교환기(46)로 구성된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  12. 제1항에 있어서, 상기 팽창 실린더 헤드(14)는 상기 전달-팽창 챔버(16)와 상기 고온 가스 흡입 라인(19)을 연결하는 라인을 차단 또는 개방하는 압력 등화 게이트(pressure equalizing gate)(49)를 구비하고, 상기 전달-팽창 챔버(16)에 나타나는 압력이 상기 고온 가스 흡입 라인(19)에 나타나는 압력보다 더 큰 경우 상기 게이트(49)가 개방되어 상기 가스가 상기 챔버(16)로부터 상기 라인(19)으로 통과하고, 그렇지 않은 경우에는 상기 게이트(49)는 폐쇄되어 상기 가스가 상기 라인(19)으로부터 상기 게이트(49)를 통해 상기 챔버(16)로 통과할 수 없는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전달-팽창 챔버(16)는 적어도 하나의 온도 유지 연료 분사기(140)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전달-팽창 챔버(16)는 적어도 하나의 NOx 방지 물 분사기(141)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  15. 제1항에 있어서, 상기 팽창 피스톤(15)은 상기 팽창 실린더 헤드(14)를 통과하는 팽창 피스톤 로드(68)에 의해 상기 기계적 전달 수단(18)에 연결되고, 로드 밀봉 수단(69)에 의해 상기 로드(68)와 상기 실린더 헤드(14) 사이에서 밀봉이 달성되는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  16. 제15항에 있어서, 상기 로드 밀봉 수단(69)은 상부 로드 밀봉부(70)와 하부 로드 밀봉부(71)를 포함하고, 상기 상부 로드 밀봉부와 하부 로드 밀봉부는 2개의 상기 밀봉부(70, 71)들 사이에 오일 순환 챔버(72)를 형성하도록 충분히 이격되고, 냉각 및 윤활 오일 공급 라인(73)은 상기 오일 순환 챔버 내로 배출하고, 냉각 및 윤활 오일 출구 라인(74)은 상기 오일 순환 챔버로부터 나오는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  17. 제16항에 있어서, 상기 로드 밀봉 수단(69)은 상기 오일 순환 챔버(72)의 내부 또는 외부에 수용된 로드 안내 칼라(rod guide collar)(76)와 협력하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  18. 제1항에 있어서, 상기 기계식 전달 수단(18)은 커넥팅 로드(42)로 구성되고, 상기 커넥팅 로드(42)의 단부들 중 하나의 단부는 상기 팽창 피스톤(15)에 직접 또는 간접 관절식으로 연결되고, 타단부는 상기 동력 출력 샤프트(17)와 통합된 크랭크(43) 주위에 관절식으로 연결된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  19. 제1항에 있어서, 상기 흡입 계량 밸브(24) 및/또는 상기 배기 밸브(31)는 상기 팽창 실린더 헤드(14)에 수용된 밸브 케이지(cage)(50) 내에 직접 또는 간접 안내되고, 상기 케이지(50)는 상기 밸브(24, 31)가 안착하여 밀봉을 형성할 수 있는 안착부(seat)를 구비하는 한편, 상기 밸브(24, 31)를 안내하는 상기 밸브 케이지(50) 부분 및/또는 상기 안착부는 열 전달 유체가 순환하는 밸브 냉각 회로(51)에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  20. 제1항에 있어서, 상기 팽창 피스톤(15)은 피스톤 밀봉 수단(53)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  21. 제20항에 있어서, 상기 피스톤 밀봉 수단(53)은,
    Figure pct00042
    내부 원통형 링(ring) 표면(106), 외부 원통형 링 표면(107), 및 2개의 축방향 링 표면(108)을 갖는 적어도 하나의 연속 천공 링(perforated ring)(105)으로서, 상기 링(105)은 상기 팽창 피스톤(15) 내에 배열된 적어도 하나의 환형 홈(annular groove)(109)에 수용되는 한편, 상기 링(105)은 상기 환형 홈(109)으로부터 빠져 나가지 않고 상기 환형 홈(109)에서 반경방향으로 이동할 수 있는, 상기 적어도 하나의 연속 천공 링(105);
    Figure pct00043
    상기 환형 홈이, 상기 연속 천공 링(105)과 함께, 전달 회로(114)에 의해 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 분배 챔버(119)를 형성하도록, 각 축방향 링 표면(108)과 상기 환형 홈(109) 사이에 밀봉부를 생성하는 링 밀봉 수단(110);
    Figure pct00044
    반경방향 두께에서 상기 연속 천공 링(105)을 완전히 관통하는 적어도 하나의 교정된 오리피스(calibrated orifice)(111); 및
    Figure pct00045
    상기 연속 천공 링(105)의 적어도 하나의 에어 쿠션 부양 표면(air cushion floating surface)(116)을 포함하고, 상기 부양 표면(116)은 상기 압력 분배 챔버(119)와 반대쪽에 배열된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  22. 제21항에 있어서, 상기 피스톤 밀봉 수단(53)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)에 중공 형성되고 축방향으로 나타나지 않는 적어도 하나의 역압 공동(counterpressure cavity)(115)을 포함하여, 상기 공동(115)이 점유하지 않는 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 표면은 상기 에어 쿠션 부양 표면(116)을 구성하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  23. 제21항에 있어서, 상기 피스톤 밀봉 수단(53)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 축방향 길이에 더 또는 덜 중심을 두고 약간의 깊이를 갖는 역압 홈(117)으로 구성된 역압 공동(115)을 포함하고, 상기 역압 홈(117)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 전체 원주 상에 형성된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 교정된 오리피스(111)는 상기 역압 공동(115) 내로 들어가는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  25. 제21항에 있어서, 상기 교정된 오리피스(111)는 상기 역압 공동(115)의 바닥에 중공 형성된 압력 분포 공동(125)에 의해 상기 역압 공동(115) 내로 들어가는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  26. 제25항에 있어서, 상기 압력 분배 공동(125)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 축방향 길이에 더 또는 덜 중심을 둔 압력 분배 홈(126)으로 구성되고, 상기 압력 분배 홈(126)은 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 전체 원주에 형성된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  27. 제21항에 있어서, 상기 역압 공동(115)을 수용하는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 2개의 축방향 에지(edge)들 중 적어도 하나의 에지는 에지 판의 간극(edge plating clearance)(118)에서 종료되는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  28. 제21항에 있어서, 상기 링 밀봉 수단(110)은 한편으로는 상기 연속 천공 링(105)과 통합된 링 밀봉 립(ring sealing lip)(121)으로 구성되고, 다른 한편으로는 상기 환형 홈(109)의 내부 또는 림(rim)과 기밀 접촉을 수립하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  29. 제21항에 있어서, 상기 링 밀봉 수단(110)은 상기 연속 천공 링(105)의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부 부근에 배치된 얇은 축방향 부분(139)으로 구성되고, 상기 부분(139)은 상기 환형 홈(109)과 기밀 방식으로 통합되고, 상기 연속 천공 링(105)의 직경이 상기 홈(109)에 대해 증가하거나 감소할 수 있을 만큼 충분히 가요성인 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  30. 제21항에 있어서, 상기 연속 천공 링(105)은 가요성 재료로 만들어지고, 상기 링(105)의 직경을 감소시키는 경향이 있는 적어도 하나의 원주방향 환형 스프링(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  31. 제21항에 있어서, 상기 압력 분배 챔버(119)는 상기 압력 전달 회로(114)로부터 오는 상기 링 유체(113)를, 상기 교정된 오리피스(111)를 통해 빠져 나가기 전에 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 가능한 가장 큰 표면을 스위프(sweep)하게 하는 링 유체 분산 수단(124)을 수용하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  32. 제31항에 있어서, 상기 링 유체 분산 수단(124)은 상기 환형 홈(106)의 바닥에 수용된 분산 판(136)으로 구성되고, 상기 분산 판(136)의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부는 상기 분산 판의 적어도 하나의 오리피스 또는 측방향 홈(137)을 구비하고, 상기 분산 판의 적어도 하나의 오리피스 또는 측방향 홈은 상기 압력 전달 회로(114)로부터 오는 상기 링 유체(113)를, 상기 축방향 단부들 중 적어도 하나의 단부에 의해 상기 압력 분배 챔버(119) 내로 배출하게 하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  33. 제21항에 있어서, 상기 환형 홈(109)은 상기 연속 천공 링(105)이 상기 홈(109) 내로 침투하는 것을 제한하는 반경방향 환형 단부 정지부(127)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  34. 제21항에 있어서, 상기 압력 전달 회로(114)는, 상기 팽창 실린더(13)에 평행하고 상기 팽창 피스톤(15)과 통합된 압력 입구 파이프(128)로 구성되고, 상기 파이프(128)의 제1 단부는 상기 피스톤(15) 내로 배출하는 반면, 상기 파이프(128)의 제2 단부는, 상기 입구 파이프가 내부에서 기밀 방식으로 길이방향으로 변위될 수 있는 상기 압력 챔버의 보어(bore)(130)를 통해, 상기 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 챔버(129) 내로 배출하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  35. 제34항에 있어서, 상기 압력 입구 파이프(128)는 적어도 하나의 반경방향 압력 입구 라인(131)에 의해 상기 압력 분배 챔버(119)에 연결된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  36. 제34항에 있어서, 상기 압력 챔버(129)는, 상기 링 유체(113)가 상기 공급원(112)으로부터 상기 챔버(129)로는 갈 수 있지만 상기 챔버(129)로부터 상기 공급원(112)으로는 갈 수 없게 하는 비례 압력 체크 밸브를 통해 상기 가압 유체 공급원(112)에 연결된 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  37. 제21항에 있어서, 상기 환형 홈(109)은, 상기 홈(109)을 지지하며 상기 내부 원통형 링 표면(106)에 반경방향 힘을 가하는 팽창 스프링(133)을 수용하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  38. 제37항에 있어서, 상기 팽창 스프링(133)은 상기 환형 홈(109)과 상기 연속 천공 링(105) 사이에 접촉에 의해 밀봉을 생성되는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
  39. 제31항 및 제37항에 있어서, 상기 팽창 스프링(133)은 적어도 하나의 유체 분산 오리피스(134) 및/또는 적어도 하나의 유체 분산 홈(135)을 구비하며, 상기 오리피스(134) 및/또는 상기 홈(135)과 함께 상기 링 유체 분산 수단(124)을 구성하는 것을 특징으로 하는 전달-팽창 및 재생 방식의 열 엔진.
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