KR20190077102A - 높은 동적 밀도 범위 열 사이클 엔진 - Google Patents

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Abstract

다중 폐루프 열교환기를 이용하는 엔진. 이 엔진은 피스톤 조립체의 주어진 챔버에 대해 전용인 제1 열교환기를 사용한다. 이 열교환기는 피스톤의 스트로크시 챔버에 가열 및 냉각을 제공하여 체적을 변화시키도록 구성된다. 제2 열교환기는 피스톤이 스트로크될 때 그 체적의 변화를 상응적으로 용이하게 하기 위하여 피스톤의 반대쪽에 있는 다른 챔버에 가열 및 냉각을 제공하도록 유사하게 구성된다. 이러한 고유의 구성은 일반적으로 작동 CO2 유체인 챔버 내의 작동 물질이 열 사이클의 실질적인 기간 동안 초임계 상태를 효과적으로 유지하도록 한다.

Description

높은 동적 밀도 범위 열 사이클 엔진
수 년에 걸쳐, 열역학의 다른 원리에 의해 구동되는 엔진을 통해 일(work)이나 동력을 얻기 위한 노력이 이루어져 왔다. 예를 들어, "스털링(Stirling)" 또는 "오가닉 랭킨(Organic Rankine)" 사이클(ORC)에 의존하는 장비로부터 전력을 생산하는 기술이 개발되었다. 불행히도, 이러한 기술은 온도가 크게 상승할 것을 요구하지 않아 일반적으로 비효과적이며 비효율적이다. 예를 들어 낮은 온도, 즉 물의 끓는점보다 낮은 온도의 열원은 매우 비효과적이다.
예를 들어, ORC 엔진 제조업체는 종종 화씨 170도 정도의 낮은 입력 열 온도로 작동할 수 있는 시스템을 제공한다. 따라서, 예를 들어, 액체로부터 기체 상태로 보다 쉽게 이동할 수 있는 냉매가 활용될 수 있으며, 여기서 터빈 또는 터빈과 같은 기술이 가스의 공압력을 변환시켜 생산적인 일을 야기시킨다. 그러나 일반적으로 극적으로 감소된 생산량이 얻어지며, 그에 따라 사업을 현저히 비경제적으로 만듭니다. 부분적으로, 이것은 ORC가 사용하는 작동유체의 특성과 작동유체로부터 일을 추출하는 기계의 범위 및 효율 능력 때문이다.
저등급 열을 사용 가능한 일로 변환하기 위한 대안적인 기술 역시 일반적으로 비효율적이거나 비생산적입니다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "저등급 열(low grade heat)"은 해수면에서의 물의 끓는점 아래의 열이다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 이러한 기술은 또한, 액체를 기체로 변환하고 다시 되돌리는 사이클당 2개의 상변화를 포함하는 오가닉 랭킨 열역학 사이클을 기반으로 한다. 이것들은 "열공압 열기관(thermal pneumatic heat engines)"으로 간주된다.
위에서 언급한 ORC 엔진은 낮은 끓는점을 가진 액체를 기체 상태로 전환시키고 터빈과 같은 장치를 통해 가스 또는 기체-및-액체 혼합물을 흐르게 하여 회전 운동을 생성한다. 위에서 언급한 비효율성과는 별개로, 이러한 엔진은 5,000 rpm 또는 그 이상의 회전 속도로 작동한다. 그 다음 기체 혼합물을 다시 냉각시켜 액체 상태로 만들고, 재사용하기 전에 다시 상을 변화시킨다. 비효율성을 제쳐두고서라도, 그러한 속도와 극적인 상변화는, 제트 엔진과는 달리, 상당한 소음을 발생시킨다.
시도된 또 다른 기술은 "열수력 열기관(thermal hydraulic heat engines)"으로 알려져 있다. 이 기술은 상대적으로 높은 팽창계수를 가질 수 있는 액체에 적용되는 열의 사용을 포함한다. 그러나 현실적으로는, 대부분의 액체는 가열될 때 거의 팽창하지 않으며 냉각될 때 거의 수축하지 않는다. 따라서, 실제로는, 그러한 엔진은, 액체에 있어서, 충분한 팽창, 그리고 충분히 신속한 팽창 및 수축을 얻는 것이 어렵기 때문에 성공적인 상업화를 달성하지 못한다. 이것은 그러한 엔진의 경제성을 제한한다. 또한, 이용된다고 하더라도, 그러한 엔진은 특정 환경의 좁은 설정(set) 내에서 사용하기 위해서만 실용적이다. 이는 다양한 용도에 대한 활용 가능한 수정의 관점에서 전체적으로 유연함이 부족하기 때문이다. 사실, 이 엔진을 효과적으로 활용할 수 있는 상황에서조차 일반적으로 광범위한 시행착오가 요구된다. 이는, 부분적으로, 열의 도입 및 제거에 의한 액체의 팽창 및 수축에 일차적으로 의존하는 것과 관련된 고유한 한계 때문이다.
체적이 변화하는 챔버에 대한, 작동 물질, 전형적으로는 초임계 유체의 유동을 제어함으로써 엔진으로부터 일을 얻는 방법. 이 방법은 챔버의 체적을 증가시키기 위해 챔버와 유체 연통하는 열교환기로 작동 물질을 가열하는 단계를 포함한다. 열교환기는 또한 챔버의 체적을 감소시키기 위해 작동 물질을 냉각시키도록 사용된다.
도 1은 일을 제공하기 위한 높은 동적 밀도 범위 열 사이클 엔진(high dynamic density range thermal cycle engine)의 일 실시형태의 평면도이다.
도 2a는 도 1의 열 사이클 엔진의 측면도이다.
도 2b는 도 1 및 도 2의 열 사이클 엔진의 반대쪽 측면도이다.
도 3은 도 1의 열 사이클 엔진에 대한 엔진 레이아웃의 개략도이다.
도 4a는 도 1의 엔진의 대향 피스톤 조립체의 일 실시형태의 개략도이다.
도 4b는 도 4a의 피스톤 조립체에 대한 팽창 및 압축 프로파일에 기초하여 일 출력(work output)을 제공하는 열 사이클의 일 실시형태를 도시하는 차트이다.
도 5a는 도 1의 엔진의 튜브시트(tubesheet) 열교환기의 일 실시형태의 일부분의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 튜브시트 열교환기의 육각 구조의 정면도이다.
도 6a 내지 6e는 도 4a의 대향 피스톤 조립체의 작동 중 시간 경과에 따른 움직임을 나타내는 개략도이다.
도 7은 폐루프 전용 열교환기를 사용하는 열 사이클 엔진을 사용하는 실시형태를 요약한 흐름도이다.
이하의 설명에서, 본 개시의 이해를 제공하기 위해 많은 세부 사항이 제시된다. 그러나, 기술된 실시형태가 이러한 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있다는 것은 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 또한, 많은 변형 또는 수정이 채용 될 수 있으며, 이것은 구체적으로 설명된 바와 같은 실시형태에 의해 계속해서 고려될 수 있다.
여기에 설명된 실시형태는 폐루프 또는 컨테이너 내에서 초임계 유체의 형태인 작동 물질의 팽창 및 수축을 제어하는 독특한 방식에 관한 것이다. 상세하게는, 작업 물질의 팽창 및 수축은 궁극적으로 생산적인 일을 생성하기 위해서 피스톤을 움직이는 데 사용된다. 발전기에 부착된 모터로 동력을 생성할 때, 엔진은 약 50 rpm 미만의 "낮은" 회전 속도를 나타낼 수 있다. 또한, 여기에 설명된 실시형태는 상의 변화를 회피할 수 있고, 본질적으로 보다 열역학적으로 효율적이며, 적절한 작동유체는 화씨 200도(℉) 이하의 입력 온도를 사용하여 효과적으로 작동 할 수 있다. 사실, 화씨 150도 이하의 열을 입력하면 효율성이 약간 저하되어도 작동하도록 쉽게 조정할 수 있다. 이는 거의 자동으로 작동한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 대안적인 온도 범위 및 상이한 회전 속도가 유체에 대한 어느 정도의 상변화를 허용하는 상태로 이용될 수 있다. 유체를 수용하는 챔버의 가열 및 냉각이 동일한 열교환기에 의해 제어되는 한, 상당한 이점이 실현될 수 있다.
이제 도 3을 추가로 참조하여 도 1을 참조하면, 열 사이클 엔진(100)의 실시형태의 평면도가 도시된다. 엔진(100)은 엔진 구성요소의 호스트(host)가 모듈 방식으로 단단히 유지되는 스키드 프레임(150) 상에 제공된다. 위에서 언급된 바와 같이, 전용의 열교환기(110, 120)가 제공되어 피스톤 조립체(105)의 일측(또한 도 2의 피스톤(205) 참조)과 유체 연통한다. 즉, 도 3의 개략도에 도시된 바와 같이, 유체의 폐쇄된 저장소(closed reservoir)가 전용 라인(309)에 걸쳐 피스톤 조립체(105)의 일측(one side)에서의 챔버와 열교환기(110)와의 사이에서 순환될 수 있다. 유사하게, 유체의 또 다른 폐쇄된 저장소가 또 다른 전용 라인(308)에 걸쳐 피스톤 조립체(105)의 반대측에서의 챔버와 또 다른 열교환기(120)와의 사이에서 순환될 수 있다.
다른 엔진 구성요소는 도 1의 평면도를 참조하면 명백하다. 예를 들어, 매니폴드(125)에서 밸브 동작과 동기하여 작동해서 피스톤 스트로크에 추가적인 힘을 주기적으로 제공할 수 있는 유압식 어큐뮬레이터(180)에 주목하라. 유체 저장소(175)도 또한 명백하다. 도 3을 추가로 참조하면, 이 저장소(175)는 고온 유체 탱크(390) 또는 저온 유체 탱크(375)로서 기능(또는 공급)할 수 있다. 특히, 펌프(160)는 피스톤 조립체(105) 내에서 스트로크하는 피스톤의 위치에 따라 적절한 시간에 적절한 열교환기(110 또는 120)를 가열하기 위해 탱크(390) 및 관련 열원(350)으로부터 온수를 순환시키는데 사용될 수 있다. 언급된 바와 같이, 일 실시형태에서, 온수는 화씨 약 150도 내지 약 200도일 수 있다.
동일한 토큰(token)에 의해 적절한 시간에 냉각 유체 탱크(375) 및 냉각원(cooling source)(325)으로부터 적절한 열교환기(110 또는 120)에 냉수를 순환시키기 위해 또 다른 펌프(도 1에 보이지 않음)가 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 냉수는, 아마도 인접한 물(adjacent body of water)로부터 대략 실온으로 유지되는 물이다. 즉, 과도한 에너지가 적극적으로 물을 냉각시키는 데 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나, 또 다른 실시형태에서는, 증발식 냉각기가 사용될 수 있다.
도 4a를 간략하게 추가하면서, 도 3을 구체적으로 참조하면, 제1 열교환기(105)를 가열하는 타이밍은 제2 열교환기(120)를 냉각하는 타이밍과 일치하고 그 반대도 마찬가지이다. 따라서, 피스톤 조립체(105) 내의 압력이 제1 챔버(455)에서 증가함에 따라, 반대쪽의 제2 챔버(457) 내에서 동시에 감소되어, 피스톤(400)의 스트로크(예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같은 아래쪽 방향)를 향상시킨다. 물론, 이 스트로크가 끝날 때, 제2 열교환기(120)가 가열되고, 제1 열교환기(110)가 냉각되고, 챔버(455, 457)가 차압에 있어서 역전되어 제2 챔버(457)가 높아지고 피스톤(400)이 반대 방향(예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같은 위쪽 방향)으로 스트로크하도록 프로세스는 역전된다.
도 3으로 돌아가서, 각각의 열교환기(110, 120)는 피스톤 조립체(105)로 진행하는 그 자체의 전용 라인(307, 308)을 갖추고 있음을 상기하라. 구체적으로, 도 4a를 참조하면, 제1 열교환기(110)로부터 진행하는 전용 라인(307)은 피스톤 조립체(105)의 제1 챔버(455)와 유체 연통한다. 대안적으로, 제2 열교환기(120)로부터의 전용 라인(308)은 제2 챔버(457)와 유체 연통한다. 이러한 방식으로, 두 개의 분리된 폐루프 유압 시스템은, 감소된 부피 및 압력의 방향으로 그리고 연속적으로 증가된 부피 및 압력으로부터 멀어지는 방향으로 주기적으로 스트로크하는 도 4a의 피스톤(400)을 구비한다. 그러나, 챔버와 열교환기(예컨대, 455/110 및 457/120) 사이의 이들 유압 루프는 폐쇄 상태로 유지된다. 즉, 온수 탱크(375) 또는 냉수 탱크(390)로부터 열교환기(110, 120)로 순환하는 유체는 상기된 폐루프 유압 시스템과 혼합되지 않는다. 그 대신에, 가열된 물이 주어진 열교환기로 유입됨에 따라, 적절하게 선택된 작동유체가 그로부터 바깥쪽으로 급격히 팽창하고, 냉각된 물이 유입됨에 따라, 작동유체는 신속하게 열교환기 내로 다시 수축된다. 또한 이 온도 조절 유체는 폐루프 시스템 내에서와는 상이한 유형의 물 또는 다른 유체 일 수 있다. 대조적으로, 폐루프 시스템은 아래에서 설명되는 고유한 팽창 특성으로 인해 작동유체로서 초임계 이산화탄소(CO2)를 활용할 수 있다.
설명된 열역학적 사이클링은 화씨 200도 이하의 입력 온도를 효과적으로 활용하여, 고유하게 효율적일 수 있다. 사실, 사이클링은 효율을 크게 떨어뜨리지 않고 화씨 150도 이하에서 작동하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 엔진(100)은 다수의 이용 가능한 열원을 유연하게 이용할 수 있다. 예를 들어, 궁극적으로 지열, 태양열 또는 관련 없는 다른 시스템 작동으로부터의 폐열과 같은 저급 열원에서 유용한 일(work)이 얻어질 수 있다. 이것은 이전에 너무 차갑고 실용적인 경제적 가치가 없는 방대한 열원의 효과적이고 경제적인 활용을 가능하게 한다.
후술하는 바와 같이, 폐루프 내의 작동유체가 CO2 인 경우, 이를 초임계 또는 과열 기체 상태로 유지하는 것은 어려운 일이 아니다. 결과적으로, 가열의 적용은 상기한 바와 같이 압력을 증가시키고 피스톤 이동을 구동시키기 위해 부피를 증가시키고 극적인 팽창을 달성한다. 또한, 작동유체를 냉각시키면 더 작은 체적을 취하게 되어 가열되는 챔버로부터 반대의 챔버에 적용되는 피스톤 운동을 더욱 촉진하게 된다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 열 사이클은 작동유체가 실질적인 사이클 동안 상변화를 피할 수 있는 경우에 특히 효율적이다.
이제 도 2a를 참조하면, 도 1의 열 사이클 엔진(100)의 측면도가 도시되어 있다. 이 도면에는 몇 가지 엔진 구성요소가 추가로 표시된다. 예를 들어, 프레임은 초기에 묘사된 피스톤 조립체(105)뿐만 아니라 다른 피스톤 조립체(205)를 수용하여 후술되는 바와 같이 출력을 효과적으로 두 배로 한다. 따라서, 예를 들어, 열교환기(110)는 하나의 조립체(105)의 챔버(455)뿐만 아니라 다른 조립체(205)(도 4a 참조)의 다른 챔버를 포함하는 폐루프를 제어할 수 있다. 이러한 라인을 따라, 소망하는 경우, 추가의 피스톤 조립체가 엔진에 추가될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도시된 실시형태에서, 피스톤 조립체(105, 205)는 아마도 이하에 더 논의되는 밸브 작동의 추가 도움으로 동기적으로(in synchronicity) 순환할 수 있다.
전술한 바와 같이 유체 저장소(175), 어큐뮬레이터(180) 및 매니폴드(125) 이외에, 유압 모터(200) 역시 도 2a에서 명백하다. 상세하게는, 열 사이클 엔진(100)으로부터의 일은 궁극적으로 동력을 발생시키고 전달하는데 사용될 수 있는 모터(200)에 궁극적으로 전달된다.
계속해서 도 2a를 참조하면, 열교환기(110) (및 도 1의 120)로 및 그로부터 온수 및 냉수를 순환시키기 위한 다양한 유체 라인이 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 냉수 공급 라인(280) 및 냉수 복귀 라인(220)뿐만 아니라 온수 공급 라인(260) 및 온수 복귀 라인(240)이 제공된다. 따라서, 적절한 온도 유발 물 유형(appropriate temperature effectuating water type)은 전술한 바와 같이 적절한 시간에서 적절한 열교환기(110, 120)로 또는 그로부터 순환될 수 있다(도 1 참조).
이제 도 2b를 참조하면, 엔진(100)은 도 2a와 비교하여 반대측으로부터 도시된다. 이 도면에서, 동일한 물 순환 라인(220, 240, 260, 280)뿐만 아니라 또 다른 열교환기(120)도 명백하다. 피스톤 조립체(105, 205)는 또한 어큐뮬레이터(180)와 함께 명백해진다. 또한, 온수를 적절한 시간에 적절한 열교환기(110 또는 120)로 순환시키기 위해 사용되는 전술한 고온 펌프(160)뿐만 아니라 냉수를 적절한 시간에 적절한 열교환기(110 또는 120)로 순환시키는 데 사용되는 냉각 펌프(260)가 도시되어 있다.
이제 도 3을 참조하면, 도 1, 도 2a 및 도 2b의 열 사이클 엔진(100)에 대한 엔진 레이아웃의 개략도가 도시된다. 전술한 바와 같이, 이 엔진(100)은 고유하고 효율적인 방식으로 모터(200)로부터의 일 출력(work output)을 궁극적으로 용이하게 한다. 이는 각각의 열교환기(110, 120)가 펌프 조립체(105)의 일측에 독립적으로 전용된 열교환기(110, 120)의 고유한 시스템을 이용하는 것을 포함한다. 이는 각 열교환기(110, 120)가, 고온 및 저온 사이클 모두가 조립체(105)의 주어진 측부에 대하여 동일한 열교환기(110, 120)를 통해 관리되는 폐쇄된 유체 루프를 규정 및 제어함을 의미한다. 따라서, 가열 입력이 차례로(예를 들어, 열원(350) 및 온수 탱크(390)로부터) 각 열교환기(110, 120)에 교대로 적용된다. 동시에, 냉각 입력이 차례로 대향 열교환기(110, 120)에 교대로(예를 들어, 냉각원(325) 및 냉수 탱크(375)로부터) 적용된다.
도 3을 계속 참조하면, 조립체(105) 내의 왕복운동 피스톤(400)은 피스톤(400)의 적절한 왕복운동 및 타이밍을 보장하도록 타이밍된 다양한 체크 밸브를 수용하는 매니폴드(125)를 통해 유압 오일을 순환시킨다(도 4a 참조). 실제로, 매니폴드(125)는 또한, 피스톤(400)이 움직이지 않을 때 작동유체의 흐름을 주기적으로 충전 및 공급할 수 있거나 또는 (예컨대 피스톤 스트로크의 끝에서) 피스톤 왕복운동을 용이하게 하도록 매니폴드(125)를 통해 추가 압력을 공급할 수 있는 지시된(indicated) 어큐뮬레이터(180)와 유체 연통 상태에 있다. 또한, 모터(200) 자체가 피스톤 왕복운동의 타이밍에서 역할을 할 수도 있다. 예를 들어, 모터(200)는 대략 일정한 고정 속도, 아마도 약 50 rpm 이하로 작동하도록 구성될 수 있다. 효율적이고 매우 조용한 것 외에도, 이러한 유형의 일정한 고정 변위는 매니폴드(125)를 통해 다시 유체 연결되어 피스톤 왕복운동의 속도를 조절하는데 도움을 줄 수 있다. 궁극적으로, 매우 정확하게 제어되고 안정적으로 동기화된 방식의 왕복운동 및 출력이 달성될 수 있다.
이제 도 4a를 참조하면, 도 1의 엔진(100)의 대향 피스톤 조립체(105)의 실시형태의 개략도가 도시된다. 이 도면은 작동유체를 순환시키는 별도의 폐루프 시스템의 일부인, 챔버(455, 457) 사이에서 왕복운동되는 조립체(105) 내의 피스톤(400)을 나타낸다. 도시된 실시형태에서, 작동유체는 일반적으로 하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이 초임계 상태에 있는 CO2이다. 또한, 피스톤(400)이 왕복운동함에 따라, 중간 헤드(440)에 의해 규정되는 중간 챔버(487)는 유압 오일과 같은 비압축성 작동유체를 일련의 밸브(475)를 향해 그리고 궁극적으로는 전술한 모터(200)를 향해 순환시키는데 사용된다. 모터(200)는 유압 모터 또는 심지어 크랭크축일 수 있고 밸브(475)는 전술한 바와 같이 매니폴드(125)에 모듈식으로 합체될 수 있다(도 3 참조). 이러한 방식으로, 순환하는 유압 오일은 모터(200)를 통해 변환 가능한 일을 제공할 수 있다. 모터는 발전기를 통한 전력 생산을 위해 이용 될 수 있다. 그러나 펌프, 원동력(motive power) 또는 압축기가 모터에 의해 구동되거나 유압 동력이 모터에 연결되지 않고 직접 사용될 수도 있다.
도시된 실시형태에서, 중간 챔버(487)는 격실(480, 485)에 의해 경계 지어진다. 이들은 작동유체 챔버(455, 457)와 중간 챔버(487)의 유압 오일 사이의 밀봉 버퍼로서 작용하는 공기 충전 컴파트먼트(480, 485)일 수 있다. 밸브(475)의 개폐 타이밍뿐만 아니라 모터(200)의 rpm도 이러한 순환과 피스톤 왕복운동을 동기화하는 것을 돕는다. 예를 들어, 밸브(475)는 피스톤이 각각의 스트로크의 끝 부분에 근접할 때마다 일시적으로 닫혀서 압력을 상승시키고 반대 방향으로 스트로크하는 것을 돕는다. 이러한 타이밍은 전자 제어기에 의해 조절될 수 있다.
이제 도 4b를 참조하면, 도 1의 피스톤 조립체에 대한 팽창 및 압축 프로파일에 기초하여 일 출력을 제공하는 열 사이클의 일 실시형태가 묘사된 차트가 도시되어 있다. 이러한 유형의 도표는 P-v 선도라고 할 수 있다. 상세하게는, 차트는 가열에 의해 가압되는 챔버(예컨대, 455)를 나타낸다. (1)에서 (2)로의 이동시 온도가 화씨 약 100도에서 화씨 150도 이상으로 상승함에 따라 압력이 약 1,200 psi에서 1,500 psi 이상으로 상승하는 것을 알 수 있다. 따라서, 챔버(455) 내의 압력은 피스톤 헤드(450)에 작용하고, 피스톤(400)이 아래쪽으로 이동함에 따라 부피 증가를 초래한다. 부피 증가를 반영하는 도 4b에서의 (2)에서 (3)으로의 이동에 주목하하. 또한 이 지점에서 온도가 약간 떨어지기 시작한다. 그러나 (3)에서 (4)로의 훨씬 더 극적인 하락은 전술한 열교환 기술을 통한 냉각의 맞춤식 도입에 의해 이루어진다. 특히,(4)에서의 온도는 화씨 약 150도에서 화씨 약 100도 이하로 움직인다. 이것은 여전히 화씨 약 88도 이상인 것에 주목하라(이는 C02가 초임계 상태임을 보장함). 따라서, 이 지점에서, 특히 위에서 설명한 기술에 따라 가열되는 다른 챔버(457)의 관점에서, 이 챔버(455)를 향한 피스톤의 이동이 촉진될 것이다. 실제로, (4)에서 (1)로의 이동과 함께 이 챔버(455)의 대응하는 체적 감소를 주목하라.
도 4b의 실시형태에서, 도 4a를 추가로 참조하면, 챔버(455) 내의 압력 및 온도 조합은 작동유체, 이 경우에는 CO2가 초임계 상태로 유지되는 수준으로 유지된다. 이는 효과적인 운영을 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나, 작동유체가 열 사이클의 실질적인 기간 동안 초임계 또는 과열 기체 상태로 유지되는 경우 더 높은 효율이 달성될 것이다. 보다 구체적으로, 액체 또는 "조밀한" 상태로의 그리고 그 상태로부터의 작동유체의 과도한 상변화를 회피함으로써 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 여기에 설명된 기술 및 장비 셋업을 통해, 전반적으로 "상변화 돔(phase change dome)"의 실질적으로 외측에서의 작동이 용이하게 달성 가능하다.
대안적인 작동유체의 경우, 상당 기간 동안 초임계 또는 과열 기체 상태로 유체를 유지하기 위해 다양한 압력 및 온도 범위가 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 도시된 실시형태에서, 상대적으로 낮은 열 및 관리 가능한 압력이 이러한 특성을 신속하고 용이하게 나타내도록 허용한다는 것을 고려하여 CO2가 이용된다. 그러나 다른 유형의 유체를 모델링하고 이산(discretized)시킬 수 있다. 또한, 여기에 설명된 기술에 따라 열 사이클을 실행하는 데 활용할 수 있는 다양한 공차에 대하여 다양한 피스톤 치수 및 기타 변수가 평가된다.
이제 도 5a를 참조하면, 도 1의 엔진(100)의 튜브시트(tubesheet) 열교환기(110)의 일 실시형태의 사시도가 도시된다. 열교환기(110)는 전술한 바와 같이 그리고 후술하는 바와 같이 열 사이클 동안 그 위에 배치되는 급속 가열 및 급속 냉각 스트레서(stressors)를 처리하도록 구성된 강건한 구성이다. 따라서, 묘사된 열교환기(110)의 부분은 연속적이고 신속한 가열 및 냉각의 응력을 견딜 수 있는 두꺼운 또는 이중벽 쉘 내에 수용될 수 있다. 이와 관련하여, 스테인리스강 또는 다른 견고한 재료 선택이 채택될 수 있다.
열교환기는 열 사이클 과정에 걸친 에너지 추가량 및 제거량을 결정짓기 때문에, 도 1의 전체 엔진(100)의 크기 설정은 열교환기(110, 120)의 크기 설정으로부터 시작된다. 도 5a의 실시형태에서, 튜브시트 열교환기(110)는 정렬 플레이트(525, 575)에 의해 제 위치에 유지된 복수의 마이크로 튜브(500)를 포함한다. 종래의 열교환기와는 달리, 도시된 튜브시트 열교환기(110)는 작동유체가 통과하지 않는다. 대신에, 열교환기는 작동유체를 보유하는 저장소로서 기능한다. 따라서, 전술한 바와 같이 열을 가하면, 유체는 급속하게 팽창하여, 열교환기(110)를 대체로 떠나고, 또는 냉각의 적용시에, 유체는 열교환기(110)의 보다 작은 체적 내로 급속하게 수축된다. 유체 유형이 이 공정의 속도에 영향을 줄뿐만 아니라 작동유체에 작용하는 열교환기(110)의 표면적을 효과적으로 극적으로 증가시키는 열교환기(110)의 관 형상 특성도 영향을 미친다.
특히 도 5b를 참조하면, 도 5a의 튜브시트 열교환기의 육각 구조의 정면도가 6각형으로 도시되어 있다. 튜브(500)의 간격은 튜브 벽의 두께와 같은 다양한 다른 변수에 기초하여 설정된 소정 피치(P) 및 직경(D)에 의해 규정될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 이러한 특정 값은 이 열교환기가 노출될 수 있는 반복적이고 급격한 온도 변화에 비추어 열교환기(110)의 내구성 특성을 고려할 때 중요할 수 있다.
이제 도 6a 내지 6e를 참조하면, 도 4a의 대향 피스톤 조립체(105)의 개략도는 작동 중 시간 경과에 따른 이동 순서를 나타낸다. 실제로, 도 6a는 도 4a와 유사하며, 여기서 제1 챔버(455) 내의 작동유체인 초임계 C02는 피스톤(400)을 도시된 방향(화살표(600) 참조)으로 완전히 스트로크 하기에 충분한 압력을 얻는다. 궁극적으로 이는 일이 모터(200)를 향하도록 할 수 있음을 의미한다. 본 실시형태에서, 추가의 타이밍 및 안내가 밸브 동작을 통해 제공될 수 있다(예를 들어 밸브(475) 참조).
초기 스트로크가 완료되면, 제2 챔버(457)는 제1 챔버(455)가 냉각되는 것과 동시에 가열될 수 있다(도 6b 참조). 결과적으로, 피스톤(400)은 제 위치에 유지될 수 있어 더 많은 압력을 형성하도록 하거나 반대 방향으로 스트로크하도록 코스를 반전시키도록 할 수 있다(화살표(600) 참조). 결국, 피스톤(400)은 이 스트로크의 끝에 도달할 것이다(도 6c 참조). 설명된 스트로킹에 걸쳐서, 중간 챔버(487)는 모터(200)와 함께 유압 오일을 계속 순환시켜서 시스템으로부터 일을 효과적으로 얻을 수 있도록 함에 주목하라.
도 6d에 도시된 바와 같이, 피스톤(400)이 제1 챔버(455)를 향한 스트로크를 완료하면, 이 챔버는 원하는 압력이 형성되어 피스톤을 제2 챔버(457)의 방향으로 반대로 구동시킬 때까지 다시 한 번 가열될 수 있고, 이것은 프로세스를 더욱 용이하게 하기 위해 냉각된다(화살표(600) 참조). 결국, 피스톤(400)은 다시 도 6e에 도시된 바와 같이 이 스트로크의 끝에 도달할 것이고, 여기서 피스톤은 도 6a에 도시된 위치로 복귀된다.
이제 도 7을 참조하면, 폐루프 전용 열교환기를 이용하는 열 사이클 엔진을 채용하는 실시형태를 요약하는 흐름도가 도시된다. 즉, 도면부호 715에 나타낸 바와 같이, 피스톤 조립체의 챔버와 함께 폐루프 내의 하나의 열교환기가 가열된다. 동시에, 조립체의 대향하는 챔버를 갖는 폐루프 내의 제2 열교환기가 냉각된다(730 참조). 이러한 방식으로, 조립체의 피스톤은 745에 기재된 바와 같이 제1 방향으로 이동된다. 이어서, 프로세스는 역적되어 760에 표시된 바와 같이 제1 열교환기가 냉각되고 775로 표시된 바와 같이 제2 열교환기가 가열된다. 따라서, 피스톤은 이제 반대 방향으로 움직인다(785 참조).
전술한 설명은 현재 바람직한 실시형태를 참조하여 제시되었다. 이들 실시형태가 속하는 기술 및 그 분야의 통상의 기술자는, 설명된 구조 및 작동 방법의 변화 및 변경이 이들 실시형태의 원리 및 범위를 크게 벗어나지 않고도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 전술한 설명은 첨부된 도면에 묘사되고 도시된 정확한 구조에 관한 것으로만 해석되어서는 안 되며, 오히려 완전하고 포괄적인 범위를 갖는 다음의 청구범위에 대한 지지로서 일관되게 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 열 사이클 엔진으로서,
    체적을 조절하기 위한 제1 챔버를 갖는 유체 폐루프 내의 제1 열교환기; 및
    체적을 조절하기 위한 제2 챔버를 갖는 유압 폐루프 내의 제2 열교환기
    를 포함하며, 각각의 챔버의 체적은 다른 챔버의 체적에 의존하는 열 사이클 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 폐루프를 점유하는 작동 물질과의 표면 상호작용을 향상시키는 튜브시트 구조를 갖는 열 사이클 엔진.
  3. 청구항 1에 있어서,
    대향 피스톤 조립체를 더 포함하며,
    상기 피스톤 조립체는 상기 제1 챔버를 규정하는 제1 헤드와 상기 제2 챔버를 규정하는 제2 헤드를 갖춘 피스톤을 포함하는 열 사이클 엔진.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 피스톤은 상기 헤드들 사이에 적어도 하나의 중간 챔버를 더 포함하여 상기 제1 및 제2 챔버의 체적이 변화함에 따라 비압축성 작동유체를 작동 출력(working output)으로 가압 및 순환시키는 열 사이클 엔진.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 피스톤 조립체에 의해 유압식으로 구동되는 모터를 더 포함하는 열 사이클 엔진.
  6. 청구항 5에 있어서,
    펌프, 압축기, 발전기, 및 상기 모터에 의해 구동되는 원동력 장치 중 하나를 더 포함하는 열 사이클 엔진.
  7. 청구항 5에 있어서,
    타이밍을 조정하기 위해 상기 모터와 상기 피스톤 조립체 사이에 유체 연결되는 매니폴드를 더 포함하는 열 사이클 엔진.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 매니폴드에 유체 연결되어 상기 피스톤이 움직이지 않을 때 모터에 대한 작동유체의 유동을 제공하고 상기 피스톤의 스트로킹을 보완적으로 향상시키는 압력을 공급하는 어큐뮬레이터를 더 포함하는 열 사이클 엔진.
  9. 청구항 3에 있어서,
    대향 피스톤 조립체는 제1 대향 피스톤 조립체이고, 상기 엔진은 상기 제1 및 제2 열교환기 중 하나의 폐루프 내에 또 다른 챔버를 갖춘 제2 피스톤 조립체를 더 포함하는 열 사이클 엔진.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 챔버 중 하나의 체적을 증가시키기 위해 상기 제1 및 제2 열교환기 중 하나에 열을 공급하는 고온 유체 탱크를 더 포함하는 열 사이클 엔진.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 탱크의 유체는, 폐열, 지열 및 태양열 중 하나로부터 활용 가능한 화씨 150도 내지 화씨 200도의 물인 열 사이클 엔진.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 챔버 중 하나의 체적을 감소시키기 위해 상기 제1 및 제2 열교환기 중 하나를 냉각시키는 저온 유체 탱크를 더 포함하는 것을 열 사이클 엔진.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 탱크의 유체는 실온의 물 및 증발 냉각된 물 중 하나인 열 사이클 엔진.
  14. 엔진으로부터 일을 얻는 방법으로서,
    제1 챔버의 체적을 증가시키기 위해 상기 제1 챔버와 함께 폐루프 내의 제1 열교환기를 가열하는 단계; 및
    제2 챔버의 체적을 감소시키기 위해 상기 제2 챔버와 함께 폐루프 내의 제2 열교환기를 냉각하는 단계
    를 포함하며, 상기 냉각 단계는, 상기 가열 단계 동안에 각각의 챔버의 체적이 다른 챔버의 체적에 의존하여 일어나는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 챔버들을 규정하는 피스톤 조립체 내에서 피스톤을 이동시키는 단계를 더 포함하여 상기 가열 및 냉각 단계 동안에 상기 제1 챔버로부터 멀어지게 그리고 상기 제2 챔버를 향하게 하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 챔버 내의 압력을 감소시키기 위해 상기 제1 열교환기를 냉각하는 단계;
    상기 제1 열교환기의 냉각 동안에 상기 제2 챔버 내의 압력을 증가시키기 위해 상기 제2 열교환기를 가열하는 단계; 및
    상기 제1 챔버의 냉각 및 상기 제2 챔버의 가열 동안에 상기 피스톤을 상기 제1 챔버를 향하게 그리고 상기 제2 챔버로부터 멀어지게 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    모터에 동력을 공급하기 위해 상기 피스톤의 이동을 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 챔버의 체적은 각각의 상기 가열 및 냉각 단계의 실질적인 기간 동안 초임계 유체에 의해 점유되는 방법.
  19. 엔진으로부터 동력을 얻는 방법으로서,
    열역학적으로 조절된 작동 물질을 내부에 수용하는 제1 챔버와 제2 챔버 사이에서 엔진의 적어도 하나의 피스톤을 왕복운동시키는 단계;
    피스톤을 제1 챔버로부터 멀어지게 그리고 제2 챔버를 향하게 이동시키기 위하여 제1 챔버 내의 열역학적으로 조절된 작동 물질을 가열하는 단계;
    상기 피스톤의 상기 제1 챔버로부터의 이동을 촉진시키기 위해 상기 제1 챔버 내를 가열하는 동안에 상기 제2 챔버 내의 열역학적으로 조절된 작동 물질을 냉각하는 단계; 및
    상기 가열 및 냉각 단계의 실질적인 기간 동안 열역학적으로 조절된 작동 물질을 각각의 챔버 내에서 초임계 유체 및 과열 기체 중 하나로서 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 피스톤이 움직이지 않을 때 모터에 대한 작동유체의 유동을 제공하고 상기 피스톤의 스트로킹을 보완적으로 향상시키는 압력을 공급하도록 어큐뮬레이터 및 매니폴드 중 하나를 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
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