(57)【要約】  本技術は、概して回転容積型システムと関連する使用および製造方法とに関する。本システムを使用して、圧縮可能な流体を圧縮しかつ／または膨張させることができる。いくつかの実施形態では、回転容積型システムは、第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、第１ポートを介してチャンバと流体連通する第１通路と、第２ポートを介してチャンバと流体連通する第２通路とを有する。本システムは、チャンバハウジング内に配置されかつチャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能なシャフトと、２つ以下のローブを備えたロータとをさらに含むことができる。ロータを、シャフトによって支持しかつシャフトに対して回転可能とすることができ、流れがチャンバを介して第１通路から第２通路に提供される第１モードで交互に動作可能とすることができる。【選択図】図２
2013521433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置され、かつ２つ以下のローブを備えるロータであって、前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能であり、かつ、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能であるロータと、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されていないことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１ポートと前記第２ポートとの間に配置され、かつ前記ロータが回転する際に前記ロータの前記ローブと封止可能に接触するように、変化する半径方向の広がりを有するシールをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ロータが第１ロータを含み、前記圧力調整チャンバが第１圧力調整チャンバを含み、前記システムが、第２圧力調整チャンバ内に配置された第２ロータをさらに具備し、
前記第１ロータが第１ロータ向きを有し、前記第２ロータが第２ロータ向きを有し、前記第１ロータ向きが前記第２ロータ向きから右回りまたは左回りにずれており、
前記第２ロータが２つ以下のローブを備え、
前記第２ロータが、前記第１ロータと前記第１通路および前記第２通路を共有し、
前記第２ロータが、前記シャフトによって支持され、かつ前記第１ロータに並列に前記シャフトに対して回転可能であることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１ポートおよび前記第２ポートのうちの少なくとも一方が、前記回転軸に対して略平行である前記チャンバハウジングの面に配置されることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１ポートと前記第２ポートとの間に配置された可変形状シールをさらに具備し、
（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されておらず、
前記ロータおよび前記可変形状シールが、前記圧力調整チャンバをチャンバゾーンに分割し、個々のチャンバゾーンが、所与の時点に前記第１通路および前記第２通路のうちの一方のみと連通していることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、各ロータローブがローブ先端を含み、前記システムが、前記チャンバハウジングと個々のローブ先端との間に配置された先端封止部をさらに具備し、前記先端封止部が、回転する円柱、液体の薄膜および低摩擦コーティングのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記シャフトに結合されたコントローラであって、前記シャフトの回転方向を反転させることにより、前記第１モードでの動作と前記第２モードでの動作との間で前記ロータの向きを変えるように動作可能であるコントローラをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記第１通路および前記第２通路と流体連通する流体貯蔵器と、
前記シャフトに結合された電気モータ／発電機と、
をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能であり、かつロータ周辺部を有するロータと、
前記第１ポートと前記第２ポートとの間で前記チャンバハウジングに結合され、かつ前記ロータ周辺部と封止可能に係合される可変形状シールと、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されていないことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記可変形状シールが、前記ロータの回転時に、後退位置と、前記圧力調整チャンバ内に半径方向に伸長する伸長位置との間で、半径方向に往復運動するように配置され、
前記可変形状シールが、前記可変形状シールを前記伸長位置に向けるばねを備え、
前記可変形状シールが、前記ロータのローブが前記可変形状シールに対して押圧すると、前記後退位置に向かって前進することを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記可変形状シールの第１部分が、前記チャンバハウジングに固定結合され、前記可変形状シールの第２部分が、前記チャンバハウジングに対して円周方向に移動可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記第１ポートおよび前記第２ポートが、前記回転軸に対して略平行である前記チャンバハウジングの面に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されておらず、
前記ロータが、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能であり、
前記ロータおよび前記可変形状シールが、前記圧力調整チャンバを、前記第１通路と流体連通する第１チャンバゾーンと前記第２通路と流体連通する第２チャンバゾーンとに分割することを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記シャフトに結合されたコントローラであって、前記シャフトの回転方向を反転させることにより、前記第１モードでの動作と前記第２モードでの動作との間で前記ロータの向きを変えるように動作可能であるコントローラと、
前記シャフトに結合されたモータ、発電機、または一体とされたモータ／発電機のうちの少なくとも１つと、
をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項１７】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置され、かつ２つ以下のローブを備えるロータであって、前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能であり、かつ、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能であるロータと、
前記第１通路および前記第２通路を介して前記圧力調整チャンバと流体連通する流体貯蔵空間と、
前記シャフトに結合されたコントローラであって、実行されると前記シャフトの回転方向を反転させる命令によってプログラムされているコントローラと、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、前記第１ポートと前記第２ポートとの間に配置され、かつ前記ロータが回転すると前記ロータの前記ローブと封止可能に接触するように変化する半径方向の広がりを有するシールをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記シールおよび前記ロータが、前記ローブの数に１を足した数に等しい数のゾーンを前記圧力調整チャンバ内に形成することを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１７に記載のシステムにおいて、（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されていないことを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項１７に記載のシステムにおいて、前記シャフトに結合されたモータ、発電機、または一体とされたモータ／発電機のうちの少なくとも１つをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１７に記載のシステムにおいて、前記流体貯蔵空間が、地質構造、水中貯蔵容器または高圧タンクを含むことを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１７に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、実行されると、エネルギー供給レベルに対応する第１入力およびエネルギー需要レベルに対応する第２入力に少なくとも部分的に基づいて、前記シャフトの回転方向を反転させる命令をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２４】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置され、かつ複数のローブを備えるロータであって、
個々のローブが、前記ローブの半径方向最外部に先端を含み、
前記先端が先端円周方向長さを有し、
前記ロータが、前記先端に近接して結合されかつそこから円周方向に延在する先端広がり部を含み、
前記先端広がり部が、前記先端円周方向長さより大きい先端広がり部円周方向長さを有し、
前記ロータが、前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能である、ロータと、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のシステムにおいて、前記ロータが、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２４に記載のシステムにおいて、前記先端広がり部が可撓性アームを備えることを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記第１ポートが第１ポート円周方向長さを有し、
前記第２ポートが第２ポート円周方向長さを有し、
前記先端広がり部円周方向長さが、前記第１ポート円周方向長さおよび前記第２ポート円周方向長さの各々より大きいかまたは等しいことを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項２４に記載のシステムにおいて、前記先端広がり部が、前記ローブに枢動可能に結合されたアームを含むことを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２４に記載のシステムにおいて、（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されていないことを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記先端広がり部が第１先端広がり部を含み、前記ロータが、第２先端広がり部および第３先端広がり部をさらに含み、各先端広がり部が個々の先端に結合されており、
（ａ）前記チャンバと前記第１通路との間および（ｂ）前記チャンバと前記第２通路との間の流れを制御するために弁が配置されていないことを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記シャフトに結合されたモータ、発電機、または一体とされたモータ／発電機のうちの少なくとも１つと、
前記シャフトに結合されたコントローラであって、前記シャフトの回転方向を反転させることにより、前記第１モードでの動作と前記第２モードでの動作との間で前記ロータの向きを変えるように動作可能であるコントローラと、
前記第１通路および前記第２通路と流体連通する流体貯蔵器であって、前記シャフトの前記回転方向が、前記貯蔵器と前記第１通路および前記第２通路との間の流体流を制御する、流体貯蔵器と、
さらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項３２】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置されたロータであって、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能であるロータと、
前記圧力調整チャンバの外側に配置され、かつ前記第１通路または前記第２通路のうちの少なくとも一方と流体連通する熱交換器と、
内面および外面を有する圧力容器であって、前記チャンバハウジング、前記第１通路、前記第２通路および前記熱交換器を少なくとも部分的に包囲し、さらに、前記圧力容器の前記内面が、前記システムを流れる作動流体と接触するように配置される、圧力容器と、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項３３】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記ロータが第１ロータを含み、前記圧力調整チャンバが第１圧力調整チャンバを含み、前記第１ロータおよび前記圧力調整チャンバが第１段を含み、
第１ポートおよび第２ポートを備えた第２圧力調整チャンバと、
第２ロータと、
を備える第２段と、
前記第１段と前記第２段との間に軸方向に配置された隔壁と、
前記第１段の前記第２ポートを前記熱交換器に流体接続する第１通路と、
前記熱交換器を前記第２段の前記第１ポートに流体接続する第２通路と、
をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項３３に記載のシステムにおいて、前記第１段が第１軸方向長さを有し、前記第２段が、前記第１軸方向長さとは異なる第２軸方向長さを有することを特徴とするシステム。
【請求項３５】
請求項３３に記載のシステムにおいて、前記第１段の前記第１ポートおよび前記第２段の前記第１ポートが、右回りまたは左周りに円周方向にずれていることを特徴とするシステム。
【請求項３６】
請求項３３に記載のシステムにおいて、前記熱交換器が、前記第１段と前記第２段との間に軸方向に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項３７】
請求項３６に記載のシステムにおいて、複数の開口部を有する分配プレートであって、前記第１段チャンバハウジングと前記熱交換器との間に軸方向に配置されている分配プレートをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項３８】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記熱交換器が、前記チャンバハウジングと前記圧力容器との間に半径方向に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項３９】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記熱交換器が相変化熱交換器を含むことを特徴とするシステム。
【請求項４０】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記第１通路および前記第２通路のうちの少なくとも一方に結合されたコントローラであって、前記シャフトの回転方向を反転させることにより、前記第１モードでの動作と前記第２モードでの動作との間で前記ロータの向きを変えるように動作可能であるコントローラをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項４１】
請求項３２に記載のシステムにおいて、
前記熱交換器が、前記チャンバハウジングから外側に半径方向に配置されており、
前記第１ポートおよび前記第２ポートのうちの少なくとも一方が、（ａ）前記回転軸に略平行である前記チャンバハウジングの面に配置されおり、（ｂ）前記チャンバと前記熱交換器との間に流体連通を提供することを特徴とするシステム。
【請求項４２】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置されたロータであって、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能であるロータと、
前記第１通路および前記第２通路のうちの少なくとも一方と流体連通し、前記圧力調整チャンバの外側に配置された熱交換器と、
内面および外面を有する圧力容器であって、前記チャンバハウジング、前記第１通路、前記第２通路および前記熱交換器を少なくとも部分的に包囲し、さらに、前記圧力容器の前記内面が、前記システムを流れる作動流体と接触するように配置される、圧力容器と、
前記第１通路および前記第２通路のうちの少なくとも一方に結合されたコントローラであって、前記シャフトの回転方向を反転させることにより、前記第１モードでの動作と前記第２モードでの動作との間で前記ロータの向きを変えるように動作可能であるコントローラと、
前記第１通路および前記第２通路と流体連通している流体貯蔵器であって、前記シャフトの前記回転方向が、前記貯蔵器と前記第１通路および前記第２通路との間の流体流を制御する、流体貯蔵器と、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項４３】
請求項４２に記載のシステムにおいて、前記熱交換器が、前記チャンバハウジングと前記圧力容器との間に軸方向に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項４４】
請求項４２に記載のシステムにおいて、
前記ロータが第１ロータを含み、前記圧力調整チャンバが第１圧力調整チャンバを含み、
前記第１ロータおよび前記圧力調整チャンバが第１段を含み、
前記システムが、
第１ポートおよび第２ポートを備えた第２圧力調整チャンバと、
第２ロータと、
を備える第２段と、
前記第１段と前記第２段との間に軸方向に配置された隔壁と、
前記第１段の前記第２ポートを前記熱交換器に流体接続する第１通路と、
前記熱交換器を前記第２段の前記第１ポートに流体接続する第２通路と、
をさらに具備し、
前記熱交換器が、前記第１段と前記第２段との間に軸方向に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項４５】
請求項４２に記載のシステムにおいて、前記流体貯蔵器が、地質構造、水中貯蔵容器または高圧タンクを含むことを特徴とするシステム。
【請求項４６】
請求項４２に記載のシステムにおいて、前記シャフトに結合されたモータ、発電機、または一体とされたモータ／発電機のうちの少なくとも１つをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項４７】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置されるロータであって、
前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能であり、
流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能である、ロータと、
を具備し、
前記ロータが１つまたは複数の内部空洞を備えることを特徴とする回転容積型システム。
【請求項４８】
請求項４７に記載のシステムにおいて、個々のロータ空洞内に配置された充填材料をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項４９】
請求項４７に記載のシステムにおいて、前記ロータが溶接された板を備えることを特徴とするシステム。
【請求項５０】
請求項４７に記載のシステムにおいて、
前記ロータがロータ枠を備え、
前記ロータがロータ体積を占有し、
前記ロータ枠が、前記ロータ体積の約５パーセント以下を占有することを特徴とするシステム。
【請求項５１】
請求項４７に記載のシステムにおいて、前記内部空洞が、前記チャンバに流体を向かわせるように配置されたポートを含むことを特徴とするシステム。
【請求項５２】
請求項４７に記載のシステムにおいて、前記ロータ内に配置された補強構造をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項５３】
回転容積型装置を動作させる方法において、
作動流体を、入力ポートを介して通路から回転チャンバに導入するステップと、
前記回転チャンバ内に複数のローブを備えたロータを支持するシャフトを回転させることにより、前記回転チャンバ内で前記作動流体を圧縮するかまたは膨張させるステップと、
ノズルを介して注入流体を前記回転チャンバ内に注入するステップと、
前記注入流体を燃焼することなく、前記注入流体と前記作動流体との間で熱を伝達するステップと、
出口ポートを介して、前記回転チャンバから前記作動流体および前記注入流体を吐出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５４】
請求項５３に記載の方法において、前記注入流体を前記回転チャンバ内に注入するステップが、前記入力ポート、前記ロータの流体ポートまたは前記回転チャンバの流体ポートのうちの少なくとも１つを通して流体を注入することを含むことを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５３に記載の方法において、前記回転チャンバから前記注入流体を抽出するステップが、前記チャンバから前記注入流体を除去することと、前記注入流体を熱貯蔵器に貯蔵することを含むことを特徴とする方法。
【請求項５６】
請求項５３に記載の方法において、前記注入流体を前記回転チャンバ内に注入するステップが、霧を注入することを含むことを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５３に記載の方法において、
前記作動流体の温度、前記注入流体の温度、前記作動流体の圧力または前記作動流体の流量のうちの１つまたは複数を検知するステップと、
前記検知に基づいて、前記注入流体の体積、圧力、量または温度特性を調整するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５８】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記圧力調整チャンバ内に配置されたロータであって、前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能であり、かつ、流れが、前記第２通路から前記チャンバを介して前記第１通路に提供される第１モードと、流れが、前記第１通路から前記チャンバを介して前記第２通路に提供される第２モードとで交互に動作可能である、ロータと、
前記チャンバハウジングの少なくとも一部、前記第１通路および前記第２通路の周囲に配置された断熱材と、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項５９】
請求項５８に記載のシステムにおいて、前記断熱材がガラス繊維充填材を含むことを特徴とするシステム。
【請求項６０】
請求項５８に記載のシステムにおいて、前記断熱材が空隙断熱材を含むことを特徴とするシステム。
【請求項６１】
請求項５８に記載のシステムにおいて、前記断熱材によって少なくとも部分的に包囲された熱交換器をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項６２】
請求項５６に記載のシステムにおいて、内面および外面を有する圧力容器をさらに具備し、
前記圧力容器が、前記チャンバハウジング、前記第１通路および前記第２通路を少なくとも部分的に包囲し、
前記断熱材が、前記圧力容器の前記外面の少なくとも一部の周囲に配置されることを特徴とするシステム。
【請求項６３】
回転容積型装置を動作させる方法において、
第１通路から圧力調整チャンバに、前記第１通路と前記圧力調整チャンバとの間で弁を作動させることなく、第１ポートを介して第１体積の作動流体を導入するステップと、
前記チャンバ内でロータを、シャフトを中心に第１回転方向に回転させ、それにより前記チャンバ内で前記第１体積の作動流体を圧縮するステップであって、前記ロータが３つ以下のローブを有する、ステップと、
個々のロータローブを、前記チャンバハウジングの内壁と封止可能に係合させるステップと、
前記第１体積の作動流体を前記チャンバから第２ポートを介して第２通路に吐出するステップと、
前記第２通路から前記圧力調整チャンバに、前記第２通路と前記圧力調整チャンバとの間で弁を作動させることなく、前記第２ポートを介して第２体積の作動流体を導入するステップと、
前記チャンバ内で前記ロータを、前記第１方向とは反対の第２回転方向に回転させ、それにより前記チャンバ内で前記第２体積の作動流体を膨張させるステップと、
前記第２体積の作動流体を前記チャンバから前記第１ポートを介して前記第１通路に吐出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６４】
請求項６３に記載の方法において、前記回転容積型装置の動作中に生成される熱を伝達するかまたは貯蔵するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項６５】
請求項６３に記載の方法において、個々のロータローブを前記内壁に封止可能に係合させるステップが、前記個々のローブによって支持される先端ローラを係合させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項６６】
請求項６３に記載の方法において、個々のロータローブを前記内壁に封止可能に係合させるステップが、前記個々のローブによって支持される先端広がり部を係合させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項６７】
請求項６３に記載の方法において、前記ロータが前記シャフトを中心に回転する際に、前記ロータを動的に係合させるように、可変形状シールを往復運動させるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項６８】
請求項６３に記載の方法において、
前記第１体積の作動流体を、前記第１通路および前記第２通路と流体連通する流体貯蔵器に貯蔵するステップと、
前記第１通路および前記第２通路における圧力を制御することにより、前記ロータの前記回転方向の向きを変えるステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項６９】
請求項６３に記載の方法において、
エネルギー供給レベルに関する情報をコントローラに送出するステップと、
エネルギー需要レベルに関する情報を前記コントローラに送出するステップと、
前記コントローラを使用して、前記シャフトの前記回転方向を反転させる命令を実行するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７０】
請求項６３に記載の方法において、前記第２体積の作動流体を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７１】
第１ポートおよび第２ポートを備えた圧力調整チャンバを有するチャンバハウジングであって、半径方向直径、第１軸方向側面および第２軸方向側面を有するチャンバハウジングと、
前記第１ポートを介して前記チャンバと流体連通する第１通路と、
前記第２ポートを介して前記チャンバと流体連通する第２通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能であるロータと、
第１隔壁プレートおよび第２隔壁プレートであって、前記第１隔壁プレートが、前記チャンバハウジングの前記第１側面に軸方向に隣接して配置され、前記第２隔壁プレートが、前記チャンバハウジングの前記第２側壁に軸方向に隣接して配置される、第１隔壁プレートおよび第２隔壁プレートと、
前記第１隔壁プレートを前記第２隔壁プレートに固定する複数のコネクタと、
を具備することを特徴とする回転容積型システム。
【請求項７２】
請求項７１に記載のシステムにおいて、
前記第１隔壁プレートが第１直径を有し、前記第２隔壁プレートが第２直径を有し、
前記第１隔壁直径および前記第２隔壁直径が、前記チャンバハウジング直径より大きいことを特徴とするシステム。
【請求項７３】
請求項７１に記載のシステムにおいて、前記コネクタがボルトを含むことを特徴とするシステム。
【請求項７４】
請求項７１に記載のシステムにおいて、前記チャンバハウジング、前記第１通路および前記第２通路を包囲する外側ハウジングをさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項７５】
回転容積型装置を製造する方法において、
シート状の材料を円柱状外側ハウジングに成形するステップであって、前記外側ハウジングが、外側ハウジング直径、第１軸方向側面および第２軸方向側面を有する、ステップと、
前記外側ハウジング内で、チャンバハウジング、軸方向に位置合せされたシャフトおよびロータを入れ子にするステップと、
第１隔壁を、前記外側ハウジングの前記第１軸方向側面に隣接して、かつ第２隔壁を前記外側ハウジングの前記第２軸方向側面に隣接して、軸方向に配置するステップであって、前記第１隔壁が第１隔壁直径を有し、前記第２隔壁が第２隔壁直径を有し、前記第１隔壁直径および前記第２隔壁直径が前記外側ハウジング直径より大きい、ステップと、
前記第１隔壁を前記第２隔壁に複数の引張部材によって接続することにより、前記外側ハウジングを、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間に固定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７６】
請求項７５に記載の方法において、シート状の材料を円柱状外側ハウジングに成形するステップが、前記シートを圧延し溶接して円柱形状にすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項７７】
請求項７５に記載の方法において、前記ロータ、前記シャフト、前記隔壁、前記チャンバハウジングまたは前記外側ハウジングのうちの少なくとも１つを、耐熱性、耐腐食性または耐摩擦性材料で少なくとも部分的にコーティングするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７８】
請求項７５に記載の方法において、前記第１隔壁または前記第２隔壁の少なくとも一方を前記外側ハウジングに溶接または封止するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７９】
請求項７５に記載の方法において、前記外側ハウジング内に前記ロータを入れ子にするステップが、実質的に中空の内部を有するロータを入れ子にすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項８０】
請求項７５に記載の方法において、前記第１隔壁および前記第２隔壁を前記外側ハウジングに封止することにより流体密封圧力容器を形成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項８１】
第１入力ポートおよび第１吐出ポートを備えた第１圧力調整チャンバを有する第１チャンバハウジングと、
前記第１入力ポートを介して前記第１チャンバと流体連通する第１低圧通路と、
前記第１吐出ポートを介して前記第１チャンバと流体連通する第１高圧通路であって、（ａ）前記第１チャンバと前記第１低圧通路との間および（ｂ）前記第１チャンバと前記第１高圧通路との間の流れを制御するために弁が配置されていない、第１高圧通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能である第１シャフトと、
前記第１圧力調整チャンバ内で前記第１シャフトによって支持されるとともに前記第１シャフトに対して回転可能な第１多葉ロータと、
を有する回転式圧縮機と、
前記回転式圧縮機と流体連通する熱源と、
前記熱源と流体連通する回転式膨張機であって、
第２入力ポートおよび第２吐出ポートを備えた第２圧力調整チャンバを有する第２チャンバハウジングと、
前記第２入力ポートを介して前記第２チャンバと流体連通する第２高圧通路と、
前記第２吐出ポートを介して前記第２チャンバと流体連通する第２低圧通路であって、（ａ）前記第２チャンバと前記第２低圧通路との間および（ｂ）前記第２チャンバと前記第２高圧通路との間の流れを制御するために弁が配置されていない、第２低圧通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能である第２シャフトと、
前記第２圧力調整チャンバ内で前記第２シャフトによって支持されるとともに前記第２シャフトに対して回転可能な第２多葉ロータと、
を有する回転式膨張機と、
を具備することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項８２】
請求項８１に記載のシステムにおいて、前記熱源が熱交換器であることを特徴とするシステム。
【請求項８３】
請求項８２に記載のシステムにおいて、前記システム熱交換器が、相変化熱交換器、フィン付き管熱交換器またはガス−ガス熱交換器のうちの少なくとも１つであることを特徴とするシステム。
【請求項８４】
請求項８１に記載のシステムにおいて、前記圧縮機または前記膨張機のうちの少なくとも一方と流体連通する流体分配器をさらに具備することを特徴とするシステム。
【請求項８５】
請求項８１に記載のシステムにおいて、前記第１シャフトが共通シャフトの第１部分を含み、前記第２シャフトが前記共通シャフトの第２部分を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８６】
第１入力ポートおよび第１吐出ポートを備えた第１圧力調整チャンバを有する第１チャンバハウジングと、
前記第１入力ポートを介して前記第１チャンバと流体連通する第１高圧通路と、
前記第１吐出ポートを介して前記第１チャンバと流体連通する第１低圧通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能であるシャフトと、
前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能な第１多葉ロータと、
を備える回転式圧縮機であって、個々の第１ロータローブから円周方向に延在する第１先端広がり部か、または前記第１チャンバハウジング内の前記第１入力ポートと前記第１吐出ポートとの間に配置された第１可変形状シールのうちの少なくとも一方をさらに備える回転式圧縮機と、
前記回転式圧縮機と流体連通する熱源と、
前記熱源と流体連通し、
第２入力ポートおよび第２吐出ポートを備えた第２圧力調整チャンバを有する第２チャンバハウジングと、
前記第２入力ポートを介して前記第２チャンバと流体連通する第２低圧通路と、
前記第２吐出ポートを介して前記第２チャンバと流体連通する第２高圧通路と、
前記チャンバハウジング内に配置され、かつ前記チャンバハウジングに対して回転軸を中心に回転可能である第２シャフトと、
前記シャフトによって支持されるとともに前記シャフトに対して回転可能な第２多葉ロータと、
を備える回転式圧縮機であって、個々の第２ロータローブから円周方向に延在する第２先端広がり部か、または前記第２チャンバハウジング内の前記第２入力ポートと前記第２吐出ポートとの間に配置された第２可変形状シールのうちの少なくとも一方をさらに備える回転式膨張機と、
を具備することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項８７】
請求項８６に記載のシステムにおいて、前記熱源が熱交換器を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８８】
請求項８６に記載のシステムにおいて、前記熱源が燃焼器を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８９】
請求項８８に記載のシステムにおいて、前記燃焼器が、前記圧縮機と前記膨張機との間に軸方向に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項９０】
請求項８６に記載のシステムにおいて、前記熱源が、前記回転式圧縮機および前記回転式膨張機の外側の熱源に結合された廃熱回収ユニットを含むことを特徴とするシステム。
【請求項９１】
請求項８６に記載のシステムにおいて、前記第１ロータが２つ以下のローブを有し、前記第２ロータが２つ以下のローブを有することを特徴とするシステム。
【請求項９２】
請求項８６に記載のシステムにおいて、前記第１シャフトが共通シャフトの第１部分を含み、前記第２シャフトが前記共通シャフトの第２部分を含むことを特徴とするシステム。
【請求項９３】
回転容積型装置を動作させる方法において、
第１通路から第１ポートを介して圧力調整チャンバに第１体積の作動流体を導入するステップと、
前記チャンバ内でロータを、シャフトを中心に第１回転方向に回転させ、それにより前記第１体積の作動流体を圧縮するステップであって、前記ロータが２つのローブを有する、ステップと、
個々のロータローブを、前記チャンバの内壁と封止可能に係合させるステップと、
前記第１体積の作動流体を前記チャンバから第２ポートを介して第２通路に吐出するステップと、
前記第２通路から前記第２ポートを介して前記圧力調整チャンバに第２体積の作動流体を導入するステップと、
前記チャンバ内で前記ロータを、前記第１方向とは反対の第２回転方向に回転させ、それにより前記第２体積の作動流体を膨張させるステップと、
前記第２体積の作動流体を前記チャンバから前記第１ポートを介して前記第１通路に吐出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９４】
請求項９３に記載の方法において、
前記第１通路から前記圧力調整チャンバに前記第１体積の作動流体を導入するステップが、前記第１通路と前記圧力調整チャンバとの間で弁を作動させることなく前記１体積の作動流体を導入することを含み、
前記第２通路から前記圧力調整チャンバに前記第２体積の作動流体を導入するステップが、前記第２通路と前記チャンバとの間で弁を作動させることなく前記第２体積を導入することを含むことを特徴とする方法。
【請求項９５】
請求項９３に記載の方法において、個々のロータローブを前記内壁に封止可能に係合させるステップが、前記個々のローブによって支持される先端ローラを係合させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項９６】
請求項９３に記載の方法において、前記第１通路から前記圧力調整チャンバに前記第１体積の作動流体を導入するステップが、第１体積の作動流体を、可変形状シールによって少なくとも部分的に境界が画された前記チャンバの第１ゾーン内に導入することを含むことを特徴とする方法。
【請求項９７】
請求項９３に記載の方法において、
前記圧力調整チャンバを複数のチャンバゾーンに分割するステップであって、少なくとも１つのチャンバゾーンが、可変形状シールによって少なくとも部分的に境界が画される、ステップと、
前記可変形状シールを、後退位置と、前記可変形状シールが前記圧力調整チャンバ内に半径方向に伸長する伸長位置との間で、回転ロータに接触することにより軸方向に往復運動させるステップ
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項９８】
請求項９３に記載の方法において、
エネルギー供給レベルに対応する第１情報をコントローラに送信するステップと、
エネルギー需要レベルに対応する第２情報を前記コントローラに送信するステップと、
前記第１情報および前記第２情報に少なくとも部分的に基づいて、前記シャフトの前記回転方向を反転させるコントローラベースの命令を実行するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項９９】
回転容積型装置を動作させる方法において、
第１通路から第１ポートを介して圧力調整チャンバに第１体積の作動流体を導入するステップと、
前記チャンバ内でロータを、シャフトを中心に第１回転方向に回転させ、それにより前記第１体積の作動流体を圧縮するステップと、
前記第１体積の作動流体を前記チャンバから第２ポートを介して第２通路に吐出するステップと、
前記第２通路から前記第２ポートを介して前記圧力調整チャンバに第２体積の作動流体を導入するステップと、
前記チャンバ内で前記ロータを、前記第１方向とは反対の第２回転方向に回転させ、それにより前記第２体積の作動流体を膨張させるステップと、
前記第２体積の作動流体を前記チャンバから前記第１ポートを介して前記第１通路に吐出するステップと、
前記第１体積の作動流体および前記第２体積の作動流体のうちの少なくとも一方を、熱交換器および前記圧力調整チャンバを少なくとも部分的に包囲する圧力容器内に向かわせるステップと、
前記圧力調整チャンバの外側にかつ前記圧力容器内に配置された前記熱交換器において、前記熱交換器内の熱交換器流体と、前記第１体積の作動流体および前記第２体積の作動流体のうちの少なくとも一方との間で、熱を伝達するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１００】
請求項９９に記載の方法において、前記回転容積型装置の動作中に生成される熱を貯蔵するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０１】
請求項９９に記載の方法において、前記熱交換器流体と前記第１体積の作動流体および前記第２体積の作動流体のうちの少なくとも一方との間で熱を伝達するステップが、
前記第１体積の作動流体から前記熱交換器流体に熱を伝達することと、
前記熱交換器流体から前記第２体積の作動流体に熱を伝達することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０２】
請求項９９に記載の方法において、圧力調整チャンバに第１体積の作動流体を導入するステップが、第１体積の作動流体を第１圧力調整チャンバに導入することを含み、ロータを回転させるステップが第１ロータを回転させることを含み、
前記第１体積の作動流体を前記第２通路から半径方向外側に前記熱交換器内に吐出するステップと、
前記熱交換器において前記第１体積の作動流体からの熱を前記熱交換器流体に伝達するステップと、
前記第１体積の作動流体を第２圧力調整チャンバに導入するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０３】
請求項９９に記載の方法において、圧力調整チャンバに第１体積の作動流体を導入するステップが、第１体積の作動流体を第１圧力調整チャンバに導入することを含み、ロータを回転させるステップが第１ロータを回転させることを含み、
前記第１体積の作動流体を前記第２通路から軸方向に前記熱交換器内に吐出するステップと、
前記熱交換器において前記第１体積の作動流体からの熱を前記熱交換器流体に伝達するステップと、
前記第１体積の作動流体を第２圧力調整チャンバに導入するステップであって、前記第２圧力調整チャンバが、前記第１圧力調整チャンバおよび前記熱交換器と軸方向に位置合せされる、ステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０４】
請求項９９に記載の方法において、
エネルギー供給レベルに対応する第１情報をコントローラに送信するステップと、
エネルギー需要レベルに対応する第２情報を前記コントローラに送信するステップと、
前記第１情報および前記第２情報に少なくとも部分的に基づいて、前記シャフトの前記回転方向を反転させるコントローラベースの命令を実行するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年３月１日に出願され、「ＵＮＤＥＲＷＡＴＥＲ  ＣＯＭＰＲＥＳＳＥＤ  ＡＩＲ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＴＯＲＡＧＥ」と題する米国仮特許出願第６１／３０９，４１５号明細書に対する優先権およびその利益を主張し、その出願は全体として参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
本技術は、概して、たとえば流体を圧縮し、圧縮した流体を貯蔵し、かつ／または放出する回転式圧縮機−膨張機システムに関する。
【０００３】
電気系統からの電力需要は大幅に変化する可能性がある。電気系統の効率を向上させるために、過剰な、オフピーク時の再生可能に生成された電気を貯蔵し、それによって、貯蔵した電気を需要が高い時に利用することができるようにすることが望ましい。電池、高置水力発電システムおよび圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムを含む、電気を生成するために後に使用されるエネルギーを貯蔵するいくつかの利用可能な方法がある。
【０００４】
ＣＡＥＳシステムは、電気系統からのエネルギーによって駆動される圧縮機において大気を圧縮する。圧縮空気は、圧縮空気貯蔵器、たとえば地質構造（ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）または他の構造に貯蔵される。エネルギーが要求されると、圧縮空気を加熱し膨張させて電気を生成することができる。さまざまな装置を使用して、ＣＡＥＳシステム用の空気を圧縮し膨張させることができる。たとえば、典型的な内燃機関、往復空気圧縮機または回転容積型装置等の容積型機械（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍａｃｈｉｎｅ）（ＰＤＭ）が、貯蔵するために空気を圧縮することができる。ＣＡＥＳシステム用のコスト削減方法の１つは、ＰＤＭを、圧縮プロセスおよび膨張プロセスの両方に対して双方向に使用するというものである。しかしながら、双方向ＰＤＭは、機械的に複雑化することが多く、高い圧力比で動作する傾向があり、システムに高い温度変化をもたらす。これにより、回収されるエネルギーの量が比較的低くなる可能性がある。その結果、ＣＡＥＳシステムで使用するために効率的で低コストの双方向（たとえば可逆）圧縮機／膨張機が必要とされている。
【０００５】
本開示の多くの態様を、以下の図面を参照してより理解することができる。図面の構成要素は、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。実際には、本開示の原理を明確に例示することに重きが置かれている。さらに、図面において、同様の参照数字は、複数の図を通して対応する部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本開示のいくつかの実施形態による圧縮流体を貯蔵し放出するように構成された圧縮空気エネルギー貯蔵システムの部分概略図である。
【図２】図２は、本開示の実施形態によって構成された二葉式回転容積型システムの部分概略正面図である。
【図３】図３は、本開示の実施形態によって構成された三葉式回転容積型システムの部分概略正面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本開示の実施形態によって構成された圧縮機／膨張機システムの正面等角図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの圧縮機／膨張機システムの動作中の代表的な時点における概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａの圧縮機／膨張機システムの動作中の代表的な時点における概略図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ａの圧縮機／膨張機システムの動作中の代表的な時点における概略図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ａの圧縮機／膨張機システムの動作中の代表的な時点における概略図である。
【図５】図５は、図３に示すシステム３１０の上部の拡大端面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本開示の実施形態によって構成された一体型熱交換器を有する回転容積型システムの部分概略等角図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本開示の別の実施形態によって構成された一体型熱交換器を有する多段回転容積型システムの部分概略等角側面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂのシステムの内部の部分概略等角端面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｂのシステムの部分概略等角端面図である。
【図７】図７は、本開示の実施形態によって構成された断熱材を有する回転容積型システムの正面図である。
【図８】図８は、本開示の実施形態によって構成された略中空ロータを有する回転容積型システムの部分概略等角図である。
【図９】図９は、本開示の実施形態による並列して動作する複数のロータを有する回転容積型システムの部分概略等角図である。
【図１０】図１０は、本開示の別の実施形態によって構成された回転容積型システムの組立分解側面等角図である。
【図１１】図１１は、本開示の実施形態によって構成された回転容積型システムの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本技術は、概して、圧縮流体を貯蔵し放出する回転式圧縮機−膨張機システムと、関連するシステムおよび方法とに関する。少なくともいくつかの文脈では、本システムは、圧力調整チャンバ、チャンバと第１通路および第２通路との間の弁なし流体連通部、一体型熱交換器および／または３つ以下のローブ（突出部）（たとえば２つのローブ）を有するロータを含む。いくつかの実施形態では、ロータは、双方向に、たとえば、流れが第１通路からチャンバを介して第２通路に提供される第１構成またはモードで、かつ流れが第２通路からチャンバを介して第１通路に提供される第２構成またはモードで動作することができる。他の実施形態では、本技術ならびに関連するシステムおよび方法は、異なる構成、モード、構成要素および／または手続きを有することができる。さらに他の実施形態は、特定の構成要素または手続きがなくてもよい。したがって、関連する技術における当業者は、本技術が、追加の要素を伴う他の実施形態を含むことができ、かつ／または図１〜図１１を参照して後に示しかつ説明する特徴のうちのいくつかのない他の実施形態を含むことができることを理解するであろう。
【０００８】
上述した特徴のうちのいくつかまたはすべてには、再生可能エネルギー源に関連して特定の適用可能性および利点がある。特に、多くの再生可能エネルギー源（たとえば太陽および風）は、時間によって著しく変化するようにエネルギーを提供する。好適な貯蔵器と組み合わせた一体とされた圧縮機／膨張機システムは、エネルギーを貯蔵し後にエネルギーを放出する効率的な機構を提供する。こうした圧縮機／膨張機システムが動作する効率を向上させることにより、ここで開示する技術の態様は、再生可能な供給源からのエネルギーが得られ、貯蔵されかつ使用される効率を向上させることができる。
【０００９】
後述する技術の多くの実施形態が、プログラム可能なコンピュータによって実行されるルーチンを含むコンピュータ実行可能命令の形態をとることができる。当業者は、本技術の態様を、後に示しかつ説明するもの以外のコンピュータシステムで実施することができることを理解するであろう。本技術を、後述するコンピュータ実行可能命令のうちの１つまたは複数を実行するように特別にプログラムされ、構成されまたは構築される専用コンピュータまたはデータプロセッサで具現化することができる。したがって、本明細書で全体的に用いる用語「コンピュータ」および「コントローラ」は、任意のデータプロセッサを指し、インターネットアプライアンスおよびハンドヘルドデバイス（パームトップコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、携帯電話、マルチプロセッサシステム、プロセッサベースまたはプログラム可能消費者家電、ネットワークコンピュータ、ミニコンピュータ等を含む）を含むことができる。これらのコンピュータが処理する情報を、ＣＲＴディスプレイまたはＬＣＤを含むあらゆる好適な表示媒体に提示することができる。
【００１０】
本技術を、分散環境で実施することも可能であり、そこでは、タスクまたはモジュールが、通信ネットワークを介してリンクされる遠隔処理装置によって実行される。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールまたはサブルーチンを、局所メモリ記憶装置および遠隔メモリ記憶装置に配置することができる。後述する技術の態様を、磁気のまたは光学的に読取可能なまたは取外し可能なコンピュータディスクを含むコンピュータ可読媒体に格納するかまたは分散させてもよく、同様にネットワークによって電子的に分散させてもよい。本技術の態様に特定のデータ構造およびデータの伝送もまた、本技術の範囲内に含まれる。
【００１１】
概要
図１は、後に使用するために一度で生成されたエネルギーを貯蔵する代表的な全体的なシステム１００を概略的に示す。全体的なシステム１００は、送電系統１０４の電線を介して、エネルギーを矢印Ａの方向にエネルギー貯蔵装置（たとえば貯蔵器）１０８に向かって供給する、１つまたは複数のエネルギー供給源１０２を含むことができる。供給されるエネルギーを、たとえば風、太陽、天然ガス、石油、石炭、水力発電所、原子炉および／または他のものを含む複数の好適な供給源から生成することができる。
【００１２】
動力装置１０６（たとえば、モータ、発電機またはモータ／発電機）は、供給源１０２からのエネルギーを使用して、双方向圧縮機／膨張機１１０を第１構成またはモードで動作するように電気的にまたは機械的に駆動する。第１モードでは、圧縮機／膨張機は流体、たとえば大気を圧縮する。圧縮中に発生する熱を、放散し、または膨張プロセスにおいて後に使用するために保持することができる。空気は、圧縮された後、エネルギー貯蔵装置１０８の圧縮機／膨張機流体貯蔵空間（ｖｏｌｕｍｅ）１０１に向かわせられる。
【００１３】
エネルギー貯蔵装置１０８は、地質構造、水中圧縮流体貯蔵容器、高圧タンクおよび／または他の好適な空間を含むことができる。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置１０８は、参照により本明細書に援用される米国仮特許出願第６１／３０９，４１５号明細書、「ＵＮＤＥＲＷＡＴＥＲ  ＣＯＭＰＲＥＳＳＥＤ  ＡＩＲ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＴＯＲＡＧＥ」に記載されているような水中装置である。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置１０８は、圧縮機／膨張機流体貯蔵空間１０１および蓄熱空間１０３を含む。圧縮機／膨張機流体貯蔵空間１０１は、双方向圧縮機／膨張機１１０によって処理される作動流体を貯蔵することができる。蓄熱空間１０３は、双方向圧縮機／膨張機１１０によってまたは他のプロセスあるいは機械によって使用される加熱または冷却された流体を貯蔵することができる。
【００１４】
エネルギー需要家１１２が、送電系統１０４に追加のエネルギーを要求すると、エネルギー貯蔵装置１０８は、双方向圧縮機／膨張機１１０に圧縮空気または別の流体を供給することができ、圧縮機／膨張機１１０は、圧縮空気または他の流体を膨張させるように第２モードで動作する。いくつかの実施形態では、膨張プロセス中に、圧縮機／膨張機１１０に熱を追加することができる。熱は、圧縮プロセスの生成物であり得るか、または別の熱源（たとえば、温液貯蔵器、ガスタービンからの排気および／または他の好適な供給源）から来ることが可能である。圧縮機／膨張機１１０において空気を膨張させることにより、動力装置１０６を駆動して、矢印Ｂの方向で送電系統１０４に電気を供給させる。そのように、エネルギー需要家１１２に電気が提供される。圧縮機／膨張機１１０は、エネルギー需要および他の要因に基づいてさまざまな速度で動作することができる。いくつかの実施形態では、たとえば、圧縮機／膨張機１１０は低速で動作し、小量ではあるが高効率で動力を生成する。他の実施形態では、圧縮機／膨張機１１０はより高速で動作し、より大量の動力をより低効率で生成する。
【００１５】
システム１００はまた、１つまたは複数のシステム構成要素、たとえば動力装置１０６、圧縮機／膨張機１１０および／またはエネルギー貯蔵装置１０８の動作を指示するコントローラ１４８も含むことができる。したがって、コントローラ１４８は、入力１１７（たとえばセンサ入力）を受け取り、コンピュータ実施命令を介して出力１１９（たとえば制御信号）を向かわせることができる。たとえば、コントローラ１４８は、供給源１０２によって生成されかつ需要家１１２によって要求されるエネルギーレベルに対応する入力を受け取ることができ、これらのレベル間の差に基づいて、圧縮機／膨張機１１０を通る流体流の方向を制御し、たとえばエネルギー供給が需要を超える場合は圧縮機／膨張機１１０を介して流体をエネルギー貯蔵装置１０８内に向かわせ、受容が供給を超える場合は流体流を逆流させる。いくつかの実施形態では、コントローラ１４８は、供給レベルおよび需要レベルに応答することに加えてまたはその代りに、オペレータ入力または他の要素に応答することができる。
【００１６】
図２は、本開示の実施形態によって構成された二葉式回転容積型システム２１０の部分概略正面図である。システム２１０は、第１流体通路２１４と、第２流体通路２１６と、内壁２２０および外壁２２２を有するチャンバハウジング２１８とを含むことができる。第１流体通路２１４は、第１圧力で作動流体を有することができ、第２通路２１６は、第１圧力より高いかまたは低い第２圧力で作動流体を有することができる。チャンバハウジング２１８は、圧力調整チャンバ２２４を少なくとも部分的に包囲している。図２に示す特定の実施形態では、圧力調整チャンバ２２４は略円形であるが、他の実施形態では、変更された楕円形、長円形、トロコイド形または他の湾曲形状を有することができる。圧力調整チャンバ２２４は、第１通路２１４を圧力調整チャンバ２２４に接続する第１ポート２２６と、第２通路２１６を圧力調整チャンバ２２４に接続する第２ポート２２８とをさらに含むことができる。したがって、第１ポート２２６および第２ポート２２８は、チャンバハウジング２１８を通して延在している。本開示のいくつかの実施形態では、後にさらに詳細に説明するように、圧力調整チャンバ２２４と第１通路２１４との間にかつ／または圧力調整チャンバ２２４と第２通路２１６との間に弁はない。
【００１７】
本開示のいくつかの実施形態では、システム２１０は、第１モードでは圧縮機として動作し第２モードでは膨張機として動作するように構成された双方向圧縮機／膨張機を含む。システム２１０の動作モード（たとえば、圧縮機として運転されているか膨張機として運転されているか）に応じて、第１ポート２２６は、入口ポートとしてまたは出口ポートとして動作し、第２ポート２２８は、反対の機能を行い、たとえば、出口ポートまたは入口ポートとして動作する。たとえば、システム２１０が圧縮機として作動している第１モードでは、ロータ２３２は第１方向に回転し、第１ポート２２６は入口ポートとして機能し（低圧作動流体または流れを圧縮チャンバ２２４内に送り込み）、第２ポート２２８は出口ポートとして機能する（圧縮作動流体を受け入れそれを第１通路２１４に送り込む）。システムが膨張機として運転している第２モードでは、ロータ２３２は、第１方向とは反対の第２方向に回転し、第１ポート２２６は出口ポートとして動作し、第２ポート２２８は入口ポートとして動作し、システム２１０を通る流れの方向は反転する。他の実施形態では、システム２１０は、専用の圧縮機または膨張機として動作し、双方向には作動しない。特定の実施形態では、システム２１０は３つ以上のポートを有することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、システム２１０は、２つの入口ポートおよび２つの出口ポートを有することができる。ポート２２６、２２８は、丸い角を備えた矩形であってもよく、または他の形状であってもよい。ポート２２６、２２８は、後にさらに詳細に説明するように、本開示の種々の実施形態とは異なるようにチャンバハウジング２１８内に配置される。これらの実施形態のうちのいずれかにおいて、個々のポート（たとえば第１ポート２２６および第２ポート２２８）は、チャンバハウジング２１８の分離部２３０によって互いから分離されている。
【００１８】
システム２１０はロータ２３２をさらに含むことができ、ロータ２３２は、その中心部２３６を通って伸びるシャフト２３４に結合され、かつそれに対して偏心して回転可能である。シャフト２３４には偏心カム２６８がさらに結合されており、それは、ロータ２３２の中心部２３６に配置されている。ロータ２３２は、複数のローブ２３８を有することができる。図２に示すロータ２３２は２つのローブ２３８を含むが、他の実施形態では、３つ以上のローブを有することができる。ローブ２３８は、本開示の種々の実施形態ではさまざまな形状、曲率および寸法を有することができる。概して、各ローブ２３８は、ロータ２３２の中心２３６から半径方向外側に、ロータ２３２の隣接する領域より大きく延在しており、それにより、ロータ２３２の周辺境界２３３は非円形である。各ローブは、ローブ２３８の半径方向最外点に先端２３９を有している。シャフト２３４は、図２の平面に対して垂直な回転軸ＲＡに沿ってチャンバ２２４内に延在している（たとえば横切っている）。シャフト２３４を、モータ、発電機またはモータ／発電機（図１に概略的に示す）に電気的にかつ／または機械的に接続することができる。ロータ２３２は、シャフト２３４およびカム２６８を回転させることによって駆動される。シャフト２３４の回転方向によって、ロータ２３２の回転方向と、システム２１０が圧縮機として動作しているか膨張機として動作しているかが決まる。図３を参照して後にさらに詳細に説明するように、いくつかの実施形態では、ロータを回転させるために歯車を追加することができる。
【００１９】
図示する実施形態では、第１ポート２２６および第２ポート２２８はともに、半径方向に配置されている。言い換えれば、ポート２２６、２２８は、回転軸ＲＡに対して略平行なチャンバハウジング２１８の面２２１に配置されている。ロータ２３２がシャフト２３４の周囲で軌道を描く回転を行う際、ローブ先端２３９は、第１ポート２２６および第２ポート２２８を通過して回転し、第１ポート２２６および第２ポート２２８を周期的に覆いかつ露出させる。
【００２０】
ローブ２３８のシール（たとえば先端ローラ２４０）は、チャンバハウジング２１８の内壁２２０に対してロータ２３２を封止する。先端ローラ２４０を、全体として円柱状とすることができ、それらは、ギアなし車輪および車軸装置または球状車輪システム等のローラ取付具２４１を介してローブ３２８に取り付けられる。ローラ２４０を、ばねまたは他の圧力装置によって（たとえば、米国特許第３，８９９，２７２号明細書に開示されているように）、調整された方法でロータ壁に押し付けることにより、チャンバハウジング内壁２２０との低摩擦接触を提供することができ、ローラ２４０はまた、ロータ位置を案内することも可能である。ローラ２４０はまた、加圧流体が、ロータ２３２およびハウジング内壁２２０によって境界が画されているチャンバゾーン２４２から漏出しないことを確実にするのにも役立つことができる。他の実施形態では、摺動シール、液体フィルム、および／またはローブ２３８とチャンバハウジング２１８の内壁２２０との間の意図的に配置された間隙空間等、他の先端封止特徴を使用することができる。一実施形態では、たとえば、チャンバハウジング２１８またはローブ先端２３９に液体の薄膜を施すことができる。いくつかの実施形態では、薄膜は、海水、淡水、油、グリコール、グリセリンおよび／あるいは別の材料または材料の組合せを含むことができる。薄膜は、先端２３９とチャンバハウジング内壁２２０との間の間隙にわたってより高い流れ抵抗を提供することができる。他の実施形態では、チャンバゾーン２４２を最小摩擦で封止するように、先端２３９に空気軸受を適用することができる。少なくともいくつかの実施形態では、圧力調整チャンバ２２４の内壁２２０および／またはロータ２３２の一部が、１つまたは複数の低摩擦コーティング２４４を含むことができる。コーティング２４４は、プラスチック、セラミックまたは他の材料を含むことができる。低温用途では、低摩擦コーティング（たとえば、テフロン、エポキシ、ポリカーボネート、架橋ポリエチレンおよび／または他の材料）が、ロータ２３２とチャンバ２２４との間に比較的低い摩擦を提供しながら、かつ高温シールを犠牲にすることなく、シールの完全性を向上させることができる。
【００２１】
第１ポート２２６と第２ポート２２８との間の分離部２３０は、シール、たとえば可変形状シール２４６を支持することができる。可変形状シール２４６は、ロータ２３２がチャンバ２２４内で偏心して回転する際にロータ２３２の周辺境界２３３と係合することができる。可変形状シール２４６は、チャンバハウジング２１８の内壁２２０と接触しているロータ周辺部２３３およびローラ２４０と組み合わせて、チャンバ２２４を、個々のゾーン圧力を有する個々のチャンバゾーン２４２に分割する。図示する位置では、チャンバ２２４は、ロータ２３２の軌道の向きのために１つのチャンバゾーン２４２しか有していない。後にかつ図４Ａ〜図４Ｅを参照してさらに詳細に説明するように、ロータ２３２を回転させることにより、ゾーン２４２のサイズおよび数が変化する。
【００２２】
チャンバハウジング内壁２２０に対する回転ロータ２３２の軌道位置により、チャンバゾーン２４２のサイズと、ゾーン２４２内の流体の圧力とを確定することができる。たとえば、図２に示すロータ２３２は、底部死点位置と等価な位置に向けられている。圧縮モードでは、ロータ２３２は、偏心シャフト２３４を中心に第１回転方向に（たとえば右回りに）回転して、圧縮された作動流体を高圧通路（たとえば第２通路２１６）に送出する。膨張モードでは、ロータ２３２は反対方向に回転して、膨張した作動流体を低圧通路（たとえば第１通路２１４）に送出する。図１に関連して上述したように、システム２１０は、ロータ２３２の回転方向を制御するコントローラ１４８を含むことができ、コントローラ１４８は、さらに、システム２１０が圧縮するように動作するかまたは膨張させるように動作するかを確定する。コントローラ１４８は、それに従って、入力１１７を（たとえばセンサおよび／またはオペレータから）受け取り、ロータ２３２に指示する出力１１９を提供することができる。コントローラ１４８は、機械的装置、電気的装置、電気機械的装置および／または他の好適な装置によって、ロータ２３２の回転の方向を変えることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、コントローラ１４８は、シャフト２３４の回転方向およびトルクを制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ１４８は、システム２１０の双方向性を制御することに加えていくつかの機能を実行することができる。これらの実施形態のうちのいずれにおいても、コントローラ１４８は、システム２１０の動作を指示する命令によってプログラムされたあらゆる好適なコンピュータ可読媒体を含むことができる。
【００２３】
システム２１０は、チャンバハウジング２１８の外側に配置された熱交換器２５８をさらに含むことができる。熱交換器２５８は、第１通路２１４および第２通路２１６のうちの１つあるいは複数および／またはチャンバ２２４と流体連通する熱交換器通路２５６を含むことができる。一実施形態では、熱交換器通路２５６と第１通路２１４および／または第２通路２１６との間に配置された熱交換器ハウジング壁２６１は、熱交換器通路２５６と第１通路２１４および／または第２通路２１６との間に流れを向ける。流れを、熱交換器２５８との作動流体接触を向上させるように向けることができる。熱交換器２５８を、加熱または冷却を提供することに専用とすることができ、または、圧縮中にチャンバ２２４によって処理される流体を冷却し、膨張中に熱を追加するように双方向とすることができる。他の実施形態では、流体は、霧化スプレーノズル等、１つまたは複数のノズル２３１によってチャンバ２２４および／または通路２１４、２１６あるいは２５６内に直接注入される。注入される流体は、チャンバ２２４内の作動流体より低温であることも高温であることも可能であり、したがって、熱交換器２５８によって提供される伝熱効果に加えてまたはその代りに作動流体を冷却または加熱することができる。熱交換器２５８のさらなる態様については、図６Ａ〜図６Ｄを参照して後に説明する。
【００２４】
外側ハウジング２５０は、チャンバハウジング２１８、第１通路２１４および第２通路２１６を少なくとも部分的に包囲するかまたは覆うことができる。外側ハウジング２５０は、内側に面している内面２５２と外側に面している外面２５４とを有することができる。外側ハウジング２５０を、チャンバハウジング２１８から半径方向に間隔を空けて配置することができ、それにより、通路２１４、２１６、２５６、熱交換器２５８、安定化特徴２６０（たとえば隔離体（ｓｔａｎｄｏｆｆ））、断熱材（図２には示さないが、図７を参照して後にさらに詳細に説明する）および／または他の構成要素に対して空間を提供する。図２では、外側容器２５０は、全体として円柱状であるように示されているが、他の実施形態では、他の形状であってもよく、かつ／またはチャンバハウジング２１８を部分的にのみ包囲してもよい。外側ハウジング２５０は、１つまたは複数の隔壁（ｂｕｌｋｈｅａｄ）２６２と軸方向に隣接していてもよい。図示する実施形態では、システム２１０の内部機構を不明瞭にしないように、１つの軸方向隔壁２６２のみが示されているが、他の実施形態では、外側ハウジング２５０を２つの軸方向隔壁２６２の間に挟装することができる。このように、外側ハウジング２５０および隔壁２６２は、システム２１０内の流れのための圧力容器を形成することができる。したがって、外側ハウジング２５０の内面２５２および隔壁２６２は、システム２１０内を通る加圧流体と接触しかつ／またはそれを収容する。圧力容器として外側ハウジング２５０を使用することにより、システム２１０全体に対する材料要件を低減することができる。
【００２５】
上述したように、チャンバハウジング２１８の内面２２０は、摩擦を低減しかつ／または摩耗を管理するために１つまたは複数のコーティング２４４を有することができる。耐熱性または耐腐食性等の所望の機能的特性または材料特性を達成するために、（内面２２０に加えてまたはその代りに）システム２１０の他の面、たとえばチャンバハウジング２１８、外側ハウジング２５０、ロータ２３２、通路２１４、２１６、流体通路２５６、熱交換器２５８、隔壁２６２および／またはシャフト２３４の外面に、コーティング２４４を施すことができる。たとえば、システム２１０が燃焼機関用途に使用される場合、セラミック等の高温コーティングを用いて、高温流体から表面を保護することができる。低温圧縮機用途では、プラスチックコーティングを用いて、耐腐食性を向上させより低コストで摩擦を低減することができる。
【００２６】
図３は、本開示の別の実施形態によって構成された三葉式回転容積型システム３１０の部分概略正面図である。システム３１０は、内面２２０および外面２２２を有するチャンバハウジング２１８と、圧縮／膨張チャンバ２２４と、ロータ３３２と、シャフト２３４と、内壁２５２および外壁２５４を有する外側ハウジング２５０とを含む、図２を参照して上述した多くの特徴を含む。システム３１０は、第１通路２１４および第２通路２１６と、通路２１４、２１６をチャンバ２２４に接続する第１ポート２２６および第２ポート２２８とをさらに含む。図示する実施形態では、４つのポートがあるが、他の実施形態では、システム３１０はそれより多いかまたは少ないポートを含むことができる。いくつかの実施形態では、ポート２２６、２２８にも通路２１４、２１６とチャンバ２２４との間にも弁がない。
【００２７】
ロータ３３２の中心部３３６の内周に、リングギア３３６（例えば遊星ギア）が配置され、シャフト２３４の外周に配置されたピニオン３６４と噛合するように配置されている。シャフト２３４に偏心カム３６８が取り付けられ、ロータ３３６の中心部３３６に配置されている。ロータギア３６６は、ピニオン２６４と噛合して、チャンバ２２４の周囲でロータ３３２を偏心して周回させる。他の実施形態では、図２を参照して上述したカム等の他の機構が、ギアを必要とすることなくロータ３３２を回転させる。
【００２８】
図示する実施形態では、ロータ３３２は、３つの湾曲したローブ３３８を含む全体として三角形であるロータ周辺部３３３を有している。各ローブ３３８は先端３３９を有し、各先端３３９は先端広がり部（ｔｉｐ−ｗｉｄｅｎｅｒ）特徴３７０を有している。他の実施形態では、ロータ３３２は、３つより多いかまたは少ないローブ３３８を有することができ、ローブ３３８は、異なる弧度を有することができる。先端広がり部３７０は、ローブ先端３３９から半径方向にかつ円周方向に延在して、チャンバハウジング２１８の内壁２２０に接触する。広がり部３７０は、チャンバ２２４を複数の（たとえば３つの）チャンバゾーン３４２に分割する。回転ロータ３３２のローブ３３８および先端広がり部３７０は、第１ポート２２６および第２ポート２２８を周期的に覆いかつ露出させる。チャンバハウジング内壁２２０に対する回転ロータ３３２の位置により、チャンバゾーン３４２のサイズとゾーン３４２内の対応する流圧とが決まる。いくつかの実施形態では、先端広がり部３７０を、すべてのローブ３３８に取り付けなくてもよく、または先端広がり部３７０はまったくなくてもよい。先端広がり部３７０については、図５を参照して後にさらに詳細に説明する。
【００２９】
先の概要は、さまざまな設定において効率的にかつ有効に流体を圧縮し膨張させるいくつかのシステムおよび方法を紹介した。たとえば、外圧が高く流体体積が大きい水中ＣＡＥＳシステムでは、３つ以下のローブおよび大型ポートを備えた双方向圧縮機／膨張機の実施形態は、低流体摩擦で高い流体流を提供することができる。大型ポートは、さまざまな設計および特徴、たとえば、上述し後にさらに詳細に説明する先端広がり部および可変形状シールにより可能になる。
【００３０】
上述したシステムのうちのいくつかは、効率を向上させるとともに運用コストおよび／または材料コストを低減するかまたは最小限にすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、圧縮機／膨張機を、一定の熱エネルギー源または冷却エネルギー源を提供する大量の水たまり（ｂｏｄｙ  ｏｆ  ｗａｔｅｒ）に近接して配置することができる。さらにまたは別法として、水たまりは、圧縮プロセスによって加温された水に対する収納場所を提供することができる。加温水が収容される場合、加温水を、膨張プロセス中に、圧縮の熱を収集するために使用されるものと同じ熱交換方法を用いて後に使用することができる。さらに、ローブを低減した設計では、概して、圧縮する気体の体積に対して必要な質量、従ってコストが低減する。圧縮機／膨張機の弁なし双方向動作が、さらなる効率を提供することができ、装置複雑性および材料コストを低減することができる。以下のセクションは、これらの特徴および利点のうちのいくつかをより詳細に説明し、さらなる関連する特徴および利点を紹介する。
【００３１】
二葉ロータ
図４Ａは、本開示の実施形態によって構成された圧縮機／膨張機システム４１０の正面等角図である。システム４１０は、図２および図３に関して上述したものと略同様のいくつかの特徴を含む。たとえば、システム４１０は、シャフト２３４によって支持されかつシャフト２３４に対して回転可能なロータ２３２を含み、ロータ２３２およびシャフト２３４は、チャンバハウジング２１８によって少なくとも部分的に包囲されている圧力調整チャンバ２２４内に配置されている。ロータは、第１ローブ２３８ａおよび第２ローブ２３８ｂを含む２つのローブを備えている。チャンバハウジング２１８は、内壁２２０および外壁２２２を有している。チャンバ２２４は、チャンバを低圧通路および高圧通路（図示せず）に接続する第１ポート２２６および第２ポート２２８を含む。いくつかの実施形態では、ポート２２６、２２８もポートと通路との間にも弁はない。
【００３２】
システム４１０は、第１ポート２２６と第２ポート２２８との間のチャンバハウジング２１８の部分２３０に摺動可能に結合された可変形状シール２４６をさらに含むことができる。可変形状シール２４６は、ロータ２３２がチャンバ２２４内で偏心して回転する際に、可変形状シール２４６をロータ２３２の周辺境界２４３と係合するように付勢する、内部ばね４４７を含むことができる。可変形状シール２４６は、可変形状シール２４６が圧縮／膨張チャンバ２２４内に伸長する前方位置と、可変形状シール２４６がチャンバハウジング２１８の内壁２２０と略同一平面である後退位置または引込み位置との間で、半径方向に往復運動することにより、ロータ２３２の周辺部２３３と連続的な封止係合を維持することができる。この実施形態の特定の態様では、可変形状シール２４６の第１部分を、チャンバハウジング２１８に対して固定することができ、第２部分を、チャンバハウジング２１８に対して半径方向にかつ／または円周方向に移動可能とすることができる。たとえば、シール２４６は、チャンバハウジング２１８に対して固定される座部と、チャンバ２１８に対して移動する（たとえば半径方向に往復運動する）封止面とを含むことができる。可変形状シール２４６は、チャンバ内壁２２０に対して（たとえばローラ２４０を介して）押圧するロータ２３２と結合して、図４Ａ〜図４Ｅにおいてゾーン４４２ａ〜４４２ｃとして個々に識別される１つまたは複数のチャンバゾーン（たとえば３つのゾーン）４４２をもたらす。少なくともいくつかの実施形態では、システム４１０は、複数の可変形状シール２４６を含むことができる。
【００３３】
図４Ａに示すロータ４３２は先端ローラ２４０を含む。図２を参照して上述したように、ローラ２４０は、ロータローブ２３８とチャンバハウジング２１８の内壁２２０との間およびロータローブ２３８と可変形状シール２４６との間の摩擦を低減することができる。ローラ２４０はまた、ロータ２３２がチャンバハウジング２１８の輪郭に従うことをより可能にすることができる。
【００３４】
図４Ｂ〜図４Ｅは、動作中の代表的な箇所における図４Ａに示す圧縮機／膨張機システム４１０の概略図である。まず図４Ｂを参照すると、ロータ２３２は、第１ポート２２６および第２ポート２２８を覆うように配置されている。第１チャンバゾーン４４２ａは流体を収容し、ロータの軌道のこの位置では、第１ゾーン４４２ａの容積が最大限になる。ロータ４３２が、矢印Ｒによって指示しかつ図４Ｃに示すようにおよそ４５°左回りに回転すると、低圧流体が第１ポート２２６を介して第２ゾーン４４２ｂに入る。第１ゾーン４４２ａの容積が低減し、第１ゾーン４４２ａ内の流体を圧縮する。可変形状シール２４６に結合されたばね４４７が、可変形状シール２４６を、ロータ周辺部２３３に係合し続けるように半径方向内側に押す。
【００３５】
可変形状シール２４６と接近する第１ローブ２３８ａとの間に、隙間ゾーン４４２ｃが形成される。隙間ゾーン４４２ｃには、第２ポート２２８を介して高圧流体が充填されるが、いくつかの実施形態では、このわずかな体積の流体は単純に、第１ローブ２３８ａが可変形状シール２４６に近づくに従い、低損失で第２ポート２２８から排出する。いくつかの実施形態では、システム４１０は、可変形状シール２４６と第２ポート２２８との間のチャンバハウジング２１８の内壁２２０に溝（図４Ｃでは見えず）を含み、したがって、隙間空間４４２ｃが任意のロータ位置において高圧通路内に排気され得る。
【００３６】
図４Ｄでは、ロータ２３２は、左回り方向に回転し続けている。この位置では、第１ゾーン４４２ａ内の流体は、所望の圧力比まで圧縮されており、第２ポート２２８を介して高圧通路内に吐出を開始する。第１ローブ２３８ａは、第２ポート２２８の縁にある。低圧流体は、第２ゾーン４４２ｂを充填し続ける。
【００３７】
図４Ｅにおいて、ロータ２３２は、左回りに回転し続けており、この位置で、ロータ２３２の一方の側の流体はチャンバ２２４から吐出され、他方の側の流体はチャンバ２２４に入る。特に、（入ってくる流体に対して所望の圧力比にある）第１ゾーン４４２ａの加圧流体は、第２ポート２２８を介して吐出される。低圧流体は、第２ゾーン４４２ｂを充填し続ける。ポート２２６、２２８のサイズおよび間隔を選択することにより、設計者は、システムの実施形態が異なると異なる可能性がある所望の圧力比を得ることができる。そして、ロータ２３２は、図４Ｂに示す位置まで回転し続けるが、この時点では、第２ゾーン４４２ｂには流体が充填されており、第１ローブ２３８ａおよび第２ローブ２３８ｂは反対の位置にある。
【００３８】
上述した手順を、代表的な圧縮モードに関連して説明した。膨張モードでは、ロータ４３２が反対方向に回転して流体を膨張させることができることが理解されよう。上述したように、圧縮モードと膨張モードとの変更を、コントローラ１４８（図２には概略的に示す）によって制御することができる。
【００３９】
上述した配置の１つの特徴は、ポート２２６、２２８間の圧力比を、適度に、たとえば特定の実施形態ではおよそ１．２であるように設計することができる、ということである。この配置の利点は、圧縮中に温度上昇を低減し、それにより、システムを比較的低温材料で製造することができる、ということである。これにより、システムの全体的なコストを低減することができる。（典型的な場合のように）流体をより高い圧力比によって圧縮する必要がある場合、システムは、図６Ｂを参照して後述するように、直列に配置された複数の段を含むことができる。上述した配置の別の特徴は、２つのローブしかないロータを含む、ということである。この特徴の利点は、第１ポートおよび第２ポートの位置決めおよび／または寸法決めにおいてより高い柔軟性を可能にすることができる、ということである。そして、これにより、後にさらに説明するように、システムの効率を向上させることができるより大型のポートを容易にすることができる。
【００４０】
先端広がり部
図５は、図３に示すシステム３１０の上部の拡大端面図である。システム３１０は、図２および図３を参照して上述したものと略同様のいくつかの特徴を有している。たとえば、システム３１０は、圧力調整チャンバ２２４を包囲するチャンバハウジング２１８を含む。チャンバ２２４は、それぞれ第１通路２１４および第２通路２１６に接続された第１ポート２２６および第２ポート２２８を有している。上述したように、少なくともいくつかの実施形態では、ポートと通路との間に弁がない。システム３１０は、圧力調整チャンバ２２４および通路２１４、２１６を包囲する外側ハウジング２５０をさらに含む。先端３３９を備えたローブ３３８を有するロータ３３２が、チャンバ２２４内に配置されている。システム３１０の図示する部分は、ローブ先端３３９に移動可能に結合することができる先端広がり部３７０を強調している。
【００４１】
先端広がり部３７０は、個別に撓曲するアーム５９２ａおよび５９２ｂを含むことができ、それらは、取付箇所５９４に位置する例えばねじりばね（図５には見えず）によって、かつ／またはアーム５９２ａ、５９２ｂの弾性構造によって半径方向外側に付勢される。アーム５９２ａ、５９２ｂは、ロータ３３２が回転するとチャンバハウジング２１８の内壁２２０に沿ってさまざまな角度に連続的に接触するように、個別に可撓性であり得る。たとえば先端広がり部３７０は、プラスチックまたはばね鋼等、弾性的に屈曲可能な予備成形された材料を含むことができる。他の実施形態では、先端広がり部３７０は、２つより多いかまたは少ないアーム５９２ａ、５９２ｂを有することができ、ばね力以外の力で半径方向外側に向くことができる。先端広がり部３７０を、たとえば溶接、摩擦固定、接着剤による接着および／または締結具を含む、複数の好適な機構によってローブ３３８に取り付けることができる。
【００４２】
さらなる実施形態では、先端広がり部３７１を、矢印Ｐによって示すように、ローブ３３８に対して枢動するように枢動継手を含む取付箇所５９４において、ローブ３３８に取り付けることができる。この実施形態では、先端広がり部３７０を、上述したように可撓性とすることができ、またはより剛性とすることができる。より剛性である場合、枢動する際に、（矢印Ｔによって示すように）内壁２２０に向かってかつそこから離れる方向に並進するように、スロット５９５に配置することができる。
【００４３】
先端広がり部３７０は、第１ポート２２６および第２ポート２２８の円周方向広がりＣ２より広い円周方向広がりＣ１を有することができる。言い換えれば、先端広がり部３７０が個々のポートの上に配置されると、先端広がり部アーム５９２ａ、５９２ｂは、チャンバ２２４との流体連通から有効にポートを封止する。したがって、先端広がり部３７０は、入力ポート２２６と出力ポート２２８との間に必要な円周方向間隔を低減することができる。例として三葉ロータ３３２を使用することにより、従来のローブ先端の間の間隔はおよそ１２０°であり、その結果、ポートを、ハウジングの円周の周囲に完全に均一に間隔を空けて配置する必要が出る。しかしながら、先端広がり部３７０により、ポート２２６、２２８を、１２０°未満の間隔の位置に配置することができ、実質的にローブ３３８の円周方向の広がりが増大する。ポート配置のこの柔軟性により、装置３１０のより高い容積効率が可能になる。先端広がり部３７０の円周方向広がりＣ１は、ポート２２６、２２８の数および間隔とポートの開放および閉鎖の所望のタイミングとに応じて変化する可能性がある。先端広がり部３７０の円周方向広がりＣ１を、ローブ３３８の間に所望の円周方向空間を提供するように変更することができる。たとえば、４つのポート、３つのローブおよび１．４の圧力比を有する一実施形態では、高圧ポートおよび低圧ポートの各近接する対の間の円周方向の広がりをおよそ８９°とすることができ、先端広がり部の間の円周方向の広がりをおよそ５１°とすることができ、低圧ポートの開放サイズをおよそ２８°とすることができ、高圧ポートの開放サイズをおよそ１７．５°とすることができる。
【００４４】
先端広がり部および可変形状シールの両方が、大型のポートサイズを依然として可能にしながら、逆流状態を大幅に低減することができる。たとえば、先端広がり部は、チャンバの内壁に沿ってポート間の有効な円周方向間隔を有効に狭くすることにより、逆流を低減するかまたは最小限にすることができる。同様に、可変形状シールは、チャンバの高圧側および低圧側を動的に分離し、高圧ポートおよび低圧ポートが単一ゾーン内で同時に開放する機会を低減する。逆流状態を低減し大型ポートを可能にすることにより、システムは、先端バイパス流が低減することから利益を得ることができ、ポートの開放および閉鎖のタイミングを最適化することができ、それによりシステム効率が向上する。これらの特徴について、三葉ロータに関連して上述したが、それらを、単独でまたは二葉ロータと組み合わせて適用することができる。
【００４５】
大型ポート
上述したように、開示したシステムのいくつかの実施形態は、過度に大きい逆流状態をもたらすことなく既存のポートより大幅に大型のポートサイズを含む。たとえば、圧力比が約８から約１．２であるさまざまな代表的な二葉設計配置では、ポートを、動作中にシステムに大きい逆流状態が起こることなく、チャンバ内面の円周の約３％から約１５％以上のサイズとすることができる。圧力比が約８から約１．２であるさまざまな代表的な三葉配置では、ポートを、動作中に大きい逆流状態が起こることなく、チャンバ内面の円周の約４％から約１５％までのサイズとすることができる。これらの大型ポートを、可変形状シールおよび／または先端広がり特徴によって可能とすることができる。
【００４６】
一体型熱交換器
図６Ａは、本開示の実施形態によって構成された一体型熱交換器６５８ａを有する回転容積型システム６１０ａの部分概略等角図である。システム６１０ａは、図２および図３を参照して上述したものと略同様のいくつかの特徴を含む。たとえば、システム６１０ａは、内壁２２０および外壁２２２を有するチャンバハウジング２１８と、圧力調整チャンバ２２４と、シャフト２３４に回転可能に結合されたロータ３３２と、第１通路２１４および第２通路２１６と、チャンバ２２４と個々の通路２１４、２１６との間の流体連通を提供するチャンバ２２４内の第１ポート２２６および第２ポート２２８とを含む。
【００４７】
熱交換器６５８ａは、チャンバハウジング２１８および通路２１４、２１６の半径方向外側に配置されている。熱交換器６５８ａは、加熱または冷却された熱交換器流体を搬送する１つまたは複数の熱交換器供給管６５９を含む。図示する実施形態では、熱交換器６５８ａは、チャンバハウジング２１８の一部を包囲し、圧力調整チャンバ２２４からの作動流体と流体連通している。特に、第２ポート２２８を介してチャンバ２２４から出る作動流体は、第２通路２１６を通って矢印Ｆ１の方向に半径方向外側に、かつ熱交換機通路２５６内に流れることにより、熱交換器６５８ａと接触する。作動流体は、供給管６５９内の加熱または冷却された熱交換器流体と熱を交換する。
【００４８】
本システムは、内面２５２および外面２５４を有する外側ハウジング２５０（その一部を図６Ａに示す）をさらに備えている。外側ハウジング２５０は、チャンバハウジング２１８、圧力調整チャンバ２２４、通路２１４、２１６および熱交換器６５８ａを少なくとも部分的に包囲しかつ／または覆うことができる。いくつかの実施形態では、熱交換器６５８ａを通過する加圧された作動流体は、作動流体を収容する圧力容器として作用する外側ハウジング２５０の内面２５２と接触する。圧力容器として外側ハウジング２５０の内部を使用することにより、圧力調整チャンバ２２４とポート２２６、２２８、通路２１４、２１６および熱交換器６５８ａとの間、および多段システムにおける１つの段と次の段との間におけるいくつかのパイプ継手および通路が不要となる。
【００４９】
図６Ａに示す熱交換器６５８ａは、フィン付き管熱交換器である。他の実施形態は、他のタイプの熱交換器、例えばシェル−アンド−チューブ型熱交換器、プレート式熱交換器、ガス−ガス熱交換器、直接接触式熱交換器、流体熱交換機、相変化熱交換器、廃熱回収ユニットなど、または他のタイプの熱交換器を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器６５８ａは、高温ガス流からの熱を熱交換流体に伝達する廃熱回収ユニット（図示せず）を備えることができる。高温ガス流は、ガスタービンまたはディーゼルエンジンからの排気ガス流か、または製油所あるいは他の工業システムからの廃ガス流であり得る。
【００５０】
熱交換器流体は、淡水、海水、蒸気、冷却剤、油、または他の好適なガス状液体および／または二相流体を含むことができる。熱交換器６５８ａは、圧縮モードおよび膨張モード両方で動作して、双方向圧縮機／膨張機をサポートすることができ、流れがチャンバ２２４に入る前かまたは入った後に圧縮された／膨張された流れと相互作用することができる。いくつかの実施形態では、熱交換器流体は、装置の動作の圧縮モードおよび膨張モードの両方に対して同じであるが、他の実施形態では、異なる熱交換器流体が使用される。いくつかの実施形態では、圧縮モードでの動作中に加熱される熱交換器流体を、たとえば膨張段において動作中に使用される外部蓄熱貯蔵器に貯蔵することができる。熱交換器６５８ａを、金属、セラミックまたはプラスチックを含む、複数の好適な材料または材料の組合せから作製することができる。いくつかの実施形態では、熱交換器は、多種多様の熱交換流体の使用を可能にするために、耐腐食性材料（たとえば、銅、白銅、チタン、ステンレス鋼等）から作製される。
【００５１】
図６Ｂを参照して後にさらに詳細に説明するように、複数の圧力調整チャンバ２２４（たとえば段）を、流体接続することができ、それらは直列に動作することができる。いくつかの多段実施形態では、ラジアル型熱交換器６５８ａは、複数のチャンバハウジング２１８の外壁２２２に沿って軸方向に延在している。こうした実施形態では、圧縮／膨張された作動流体は、第１段の第１ポート２２８から半径方向外側に（矢印Ｆ１によって示すように）熱交換器６５８ａ内に、熱交換器６５８ａに沿って軸方向に、その後、半径方向内側に移動して、第２圧力調整チャンバ（図示せず）の第２ポートに入る。システムが圧縮モードで動作している場合、作動流体を段の間で冷却することができる。システムが膨張モードで動作している場合、作動流体を段の間で加熱することができる。段間加熱および冷却は、システム６１０ａから動作効率を失わせる可能性がある、段の間の温度差を低減する（たとえば最小限にする）ことができる。通路２１４、２１６内で作動流体をチャンバハウジング２１８から半径方向外側に向けることにより、システムは、段の間の圧力変動を低減し、著しい熱交換器の長さを可能にすることができる。
【００５２】
図６Ｂは、本開示の別の実施形態による複数の一体型熱交換器６５８ｂを有する多段回転容積型システム６１０ｂの部分概略等角側面図である。システム６１０ｂは、シャフト２３４に軸方向に沿って位置合せされた複数の段（個々に段６７２〜６７５と番号が付されている）を含む。明確にするために、シャフト２３４によって支持されるロータを、図６Ｂには示していない。各段は、第１ポート２２６および第２ポート２２８を有するチャンバハウジング２１８と、第１通路２１４と、第２通路２１６とを含むことができる。各段６７２〜６７５は、対応するチャンバハウジング２１８に軸方向に隣接して配置された１つまたは複数の隔壁６６２をさらに含むことができる。
【００５３】
システム６１０ｂは、圧縮／膨張段６７２〜６７５の間に軸方向に位置合せされた複数のアキシャル型熱交換器６５８ｂをさらに含む。熱交換器６５８ｂは、第１通路２１４および／または第２通路２１６における作動流体と流体連結している。特に、作動流体は、１つの段から次の段へ矢印Ｆ２の方向に移動する。たとえば、作動流体は、対応する第２ポート２２８を通って第１段６７２を出た後、軸方向に隣接する熱交換器６５８ｂ内に軸方向に流れ込む。そして、作動流体は、隣接する段６７３の第１ポート２２６に入り、図６Ｂにおいて作動流体が右から左に移動する際にプロセスが繰り返される。いくつかの実施形態では、作動流体は第２通路２１６から熱交換器６５８ｂ内に直接移動し、他の実施形態では、作動流体は、隣接する隔壁６６２の１つまたは複数の開口部を通って横断し（図６Ｃを参照して以下で詳細に説明される）、その後、隣接する熱交換器６５８ｂ内に入る。作動流体は、熱交換器６５８ｂ内で熱エネルギーを伝達し、第１通路２１４および隣接する第２段６７３の第１ポート２２６内に軸方向に進む。連続した段の第１ポート２２６および第２ポート２２８は、システム６１０ｂ内に作動流体をより十分に向かわせるために、互いに対して右回りまたは左回りにずれていてもよい。
【００５４】
図６Ａを参照して上述したラジアル型熱交換器６５８ａのように、アキシャル型熱交換器６５８ｂは、圧縮モードおよび膨張モードの両方で動作して双方向圧縮機／膨張機をサポートすることができる。アキシャル型熱交換器６５８ｂでは、上述した熱交換器および熱交換器流体のタイプのいずれをも同様に使用することができる。図６Ｂには、３つの熱交換器６５８ｂおよび４つの圧縮／膨張段６７２〜６７５が示されているが、他の実施形態は、それより多いかまたは少ない段および／または熱交換器６５８ｂを含むことができ、段６７２〜６７５および熱交換器６５８ｂの配置を変更することができる。たとえば、一体型熱交換器のないシステムで、多段設計を用いることができる。さらに、圧縮／膨張段６７２〜６７５および熱交換器の軸方向長さを、システム６１０ｂ内で変更することができる。たとえば、異なる軸方向長さを用いて、段間で作動流体の濃度が変化することにより１つの段から次の段への略一貫した圧力比を維持することができる。
【００５５】
ここで図６Ｃを参照すると、システム６１０ｂは、補強リブ６８４を有する穿孔隔壁６６２をさらに含むことができる。個々の隔壁６６２は、作動流体が通路および隣接する段の対応するチャンバポート内に流れ込むのを可能にする１つまたは複数の開口部６８２を含む。外側ハウジングおよび隔壁６６２が、システム６１０ｂ内を通る作動流体に対する圧力容器として作用する実施形態では、隔壁６６２は、特に、隔壁６６２が外側ハウジングに結合される隔壁６６２の周辺部の近くに位置する開口部６８２の周囲で、内圧から著しい曲げ力を受ける可能性がある。したがって内圧による隔壁変形を防止するかまたは制限するように、開口部６８２にわたって補強リブ６８４を溶接するかまたは他の方法で取り付けることができ、一方で、内部熱交換器６５８ｂへの流体流を依然として可能にすることができる。補強リブ６８４を、アキシャル型熱交換器６５８ｂを有するシステム６１０ｂにあるように示すが、それらを、ラジアル型熱交換器（たとえば図６Ａに示す熱交換器６５８ａ）を有する実施形態において、または熱交換器のない実施形態において使用することができる。
【００５６】
ここで図６Ｄを参照すると、システム６１０ｂは、個々の圧力調整チャンバ２２４と隣接する熱交換器６５８ｂとの間に配置された分配プレート６８６をさらに含むことができる。分配プレート６８６は、圧力調整チャンバ２２４のすべてまたは一部に及ぶことができ、複数の開口部６８５を含むことができる。分配プレート６８６は、熱交換器６５８ｂの上に作動流体をより有効に浸透させるように配置されている。特に、作動流体は、半径方向に第２ポート２２８から出る際、矢印Ｃ３によって示すように、チャンバ２２４の外側を円周方向に、その後、開口部６８５を通り熱交換器６５８ｂを通って軸方向に通過する。さまざまな実施形態において、分配プレート６８６の開口部６８５は、異なるサイズおよび形状を有することができ、分配プレート６８６は、より多いかまたは少ない開口部６８５を有することができ、かつ／または開口部６８５を、他の構成で配置することができる。プレート６８６は、双方向圧縮機／膨張機システムに対する必要に応じて、いずれかの方向に流れる作動流体を可能にすることができる。分配プレート６８６を、アキシャル型熱交換器６５８ｂを有するシステム６１０ｂに関連して示しているが、図６Ａに示すものと同様のラジアル型熱交換器に、類似するプレートを使用することができる。たとえば、分配プレート６８６を、熱交換器の湾曲と一致するように湾曲させることができ、通路と対応するラジアル型熱交換器との間に半径方向に配置することができる。さらに、ロータ３３２を三葉ロータ３３２として示しているが、他の実施形態では、一体型熱交換器設計および／または多段設計を、より多いかまたは少ない（たとえば２つの）ロータローブを有するロータで使用することができる。
【００５７】
ラジアル型熱交換器およびアキシャル型熱交換器を、回転容積型システムにおいて別個にまたは組み合わせて使用することができる。寸法的特徴が、特定のシステムにおいていずれのタイプの一体型熱交換器を使用するべきかに影響を与える可能性がある。たとえば、アキシャル型熱交換器は、幅が狭く長いシステムを可能にし、一方で、ラジアル型熱交換器は、必要な段間隔壁が少ない（２つの隣接する段が共通の仕切隔壁を共有することができるため）幅が広いがより短いシステムを可能にする。いずれのタイプの熱交換器が選択されるかに関らず、熱交換器を装置に組み込むにことにより、回転容積型システムのより一定の温度動作を可能にすることができる。双方向システムでは、一体型熱交換器は、膨張サイクルに対し圧縮中に生成される熱の効率的な回復を可能にする。圧縮空気エネルギー貯蔵用途では、一体型熱交換器の使用により、圧縮機／膨張機とエネルギー貯蔵システムとの間の空気のサイクル（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ）エネルギー効率を大幅に向上させることができ、通常、膨張プロセス中に熱を加えるために必要な天然ガスを低減するかまたはなくすことにより動作コストを低減することができる。
【００５８】
さらにまたは別法として流体注入を使用して、回転容積型装置において熱を交換することができる。図２を参照して紹介したように、流体注入は、圧力調整チャンバ２２４に注入流体（通常液体）を導入して、流体とチャンバ２２４内の流れとの間に伝熱をもたらす。いくつかの実施形態では、注入流体は、海水、淡水、油（植物油または鉱油）またはフルオロカーボン等の冷媒を含むことができる。注入流体の選択は、たとえば注入流体の表面張力、所定の熱、伝熱効率、注入流体を噴霧するコスト、潤滑特性および環境へのやさしさを含む、複数の注入流体特性によって決まり得る。いくつかの実施形態では、注入流体は、不燃性であり、かつ／または燃焼なしにチャンバ２２４または他の領域内に注入されるように特に選択される。
【００５９】
さまざまな実施形態では、流体を、第１ポート２２６を介して、チャンバハウジングにおける１つまたは複数の別個の流体供給ポートを介して、かつ／または（図８を参照して後にさらに詳細に説明する）ロータにおける１つまたは複数の流体ポートを介して導入することができる。他の実施形態では、注入流体は、第１通路２１４あるいは第２通路２１６において、または熱交換器通路２５６において導入される。さらなる実施形態では、注入流体は、圧力が変化する流体内により均一な注入流体分布を提供するように、複数の位置から導入される。いくつかの実施形態では、注入流体は、霧化スプレーノズル等のノズル（図２に概略的に示す）を介して導入される。いくつかの実施形態では、注入流体は、作動流体における表面積および注入流体懸濁を増大させるように霧化される。一実施形態では、たとえば、注入流体は、約５００ミクロン以下である。特定の実施形態では、注入流体は、約２０ミクロンから約１００ミクロンのサイズになるように霧化される。注入時、注入流体は、チャンバ内の作動流体と直接接触することにより、圧縮熱を吸収することができるかまたは膨張のために熱を提供することができる。いくつかの実施形態では、熱交換注入流体を、膨張または圧縮のいずれかの前にガス流内に注入してもよく、または、ガス流を、熱交換流体内に浸透することができるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、作動流体または注入流体のいずれかの出力温度を監視する１つまたは複数の温度センサからのフィードバックを、コントローラが、場合によっては熱エネルギー貯蔵に関する情報および他のパラメータとともに使用して、動作の高効率または所望の温度範囲を含み得るさまざまな目的を達成するように、液体の量および注入方法を調整することができる。
【００６０】
注入流体を、吐出ポート２２８を介して、圧力調整流体によって抽出することができ、または、サンプのような装置、凝縮（熱交換器６５８ａまたは６５８ｂの凝縮等）、遠心分離、または通路２１４、２１６、２５６におけるバッフル板等、さまざまな機構によって別個に抽出することができる。抽出時、熱交換液を、熱貯蔵器に貯蔵することができる。いくつかの実施形態では、注入流体は、液−液熱交換器を通過することができ、液−液熱交換器は、圧縮後に流体から熱を抽出するか、または膨張の前に流体に熱を提供する。所望の動作状態ならびに液体の相対的な質量流および所定の熱に応じて、液体注入により、別個の熱交換機構に対する必要をなくすかまたは低減することができる。流体注入熱交換を、安価なものとすることができ、かつそれにより、作動流体と注入流体との間のより近いアプローチ温度を可能にすることができる。液体注入熱交換に対して、図６Ａ〜図６Ｄを参照して上述したもののいずれかを含む、複数の液体を使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、熱交換流体として霧（たとえば、液滴または凝縮蒸気の浮遊）を使用することができる。
【００６１】
上述した熱交換器の１つの特徴は、システムの１つの位置においてかつ／またはシステムの別の部分における１つの動作モード中にかつ／または別の動作モード中に生成された熱を再利用することができる、ということである。この配置により、システムの全体的な熱力学的効率を向上させることができ、それによりシステムを動作させるコストを低減することができる。特定の実施形態では、回転容積型装置と周囲環境、または別個の熱貯蔵器、または両方との間で熱を交換することができる。一般に、交換流体において可能な温度上昇が高いほど、後に取り出すために熱を貯蔵する利点が大きくなる。
【００６２】
断熱
図７は、本開示の実施形態によって構成された断熱材７９８を有する回転容積型システム７１０の正面図である。システム７１０は、図２および図３を参照して上述したものに略同様のいくつかの特徴を含む。たとえば、システム７１０は、チャンバハウジング２１８を含み、チャンバハウジング２１８は、第１通路２１４および第２通路２１６を有し、圧力調整チャンバ２２４とシャフト２３４によって支持されかつそれに対して回転可能なロータ２３２とを包囲する。本システムはまた、熱交換器２５８と、内面２５２および外面２５４を有する外側ハウジング２５０とを含む。
【００６３】
特定の実施形態では、断熱材７９８は、外側ハウジング２５０の半径方向外側に配置されている。図示する実施形態では、断熱材７９８は、外側ハウジング２５０の外面２５４に円周方向に接触しかつそれを包囲しているが、他の実施形態では、外側ハウジング２５０の一部のみを包囲してもよい。他の実施形態では、断熱材７９８を、外側ハウジング２５０の内側とすることができ、断熱材７９８は、外側ハウジング２５０の内面２５２と接触することができる。さらなる実施形態では、断熱材７９８は、チャンバハウジング２２４、熱交換器２５８および／または通路２１４、２１６と接触することができ、外側ハウジングは、存在しないかまたは断熱材７９８の半径方向外側にあり得る。断熱材７９８は、空隙によって外側ハウジングから間隔を空けて配置される外側シェルを含むことができ、または図示するように、間隙を、好適な絶縁充填材料７９７によって充填することができる。いくつかの実施形態では、充填材料７９７は、ガラス繊維充填材または他の材料であり得る。他の実施形態では、間隙を排気して断熱効果を提供することができる。これらの実施形態のいずれにおいても、断熱材７９８は、システム７１０内、特に一体型熱交換器２５８内において流体温度を維持するのに寄与することができる。
【００６４】
中空ロータ
図８は、本開示の実施形態によって構成された略中空ロータ８３２を有する回転容積型システム８１０の部分概略等角図である。システム８１０は、図２および図３を参照して上述したものと略同様のいくつかの特徴を含む。たとえば、システム８１０は、外側ハウジング２５０、チャンバハウジング２１８および圧力調整チャンバ２２４を含む。
【００６５】
図示する実施形態では、ロータ８３２の端面を切り取ることにより、ロータ８３２が、ロータ壁８９０によって枠が決められる略中空内部８９１を有することが示されている。いくつかの実施形態では、たとえば、ロータ８３２の体積のわずかな一部のみが、ロータ壁８９０を備え、ロータ８３２の残りを、少なくとも部分的にいくつかの実施形態では大部分中空のままにする。一実施形態では、たとえば、ロータ壁８９０は、ロータ体積の５パーセント以下を構成する。いくつかの実施形態では、ロータ壁８９０を、回転する際のロータのバランスをとるように局所的に厚くすることができる。他の実施形態では、ロータ壁８９０を、ハニカム構造または層を分離する充填材によって補強された材料の２つ以上の層から構成してもよい。
【００６６】
ロータ８３２は、さまざまな内部特徴を含むことができる。一実施形態では、ロータ内部８９１は、ロータ８３２構造に支持を追加するように補強構造８８８を含む。補強構造８８８はまた、シャフトおよびカムと嵌合する中心構造８３６も含むことができる。たとえば、図３を参照して上述したように、中心構造８３６は、リングギア３６６を支持することができる。ロータ８３２は、さらにまたは別法として、内部空洞８８９を含むことができる。一実施形態では、内部空洞８８９は、充填材料によって充填され、所望のロータ８３２重量を達成する。別の実施形態では、図６を参照して上述したように、内部空洞８８９は、内部流体通路８８９と、熱交換方法として圧力調整チャンバ２２４に熱注入流体を供給する出口ポート８８３とを含む。
【００６７】
いくつかの実施形態では、ロータ８３２を、板材から鋳造するかまたは製造することができる。たとえば、一実施形態では、ロータ８３２を、切断され、成形され、かつ溶接された板材から製造することができる。図８に示すロータ８３２は二葉ロータ８３２であるが、他の実施形態では、ロータ８３２は３つ以上のローブを有することができる。
【００６８】
中空ロータ８３２の１つの特徴は、容易に製造することができ、安価かつ軽量とすることができる、ということである。したがって、中空ロータ８３２は、それが取り付けられるシステムのコストおよび複雑性を低減することができる。中空ロータ８３２の別の特徴は、慣性加速度によるシャフトに対する偏心荷重を低減することができるということである。したがって、それが取り付けられるシステムにおいて、疲労荷重を低減し、したがってシステムの寿命を延長することができる。
【００６９】
並列ロータ
図９は、本開示の実施形態により並列に動作する複数（たとえば３つ）のロータ９３２を有する回転容積型システム９１０の部分概略等角図である。システム９１０は、図２および図３を参照して上述したものに略同様のいくつかの特徴を含む。たとえば、システム９１０は、チャンバハウジング２１８、圧力調整チャンバ２２４およびシャフト２３４を含む。チャンバハウジング２１８を、図９では、明確にするために透明であるものとして示すが、いくつかの実施形態では、チャンバハウジング２１８は透明ではない。３つのロータ９３２は、チャンバハウジング２１８内で並列に動作する。ロータ９３２は、共通の第１ポート２２６および共通の第２ポート２２８を共有することができ、それらは各々、チャンバハウジング２１８に沿って軸方向に伸びている。ロータ９３２は、共通の第１通路および第２通路（図９には示さず）をさらに共有することができる。システム９１０は、各ロータ９３２間に軸方向に配置された（明確にするために隠されている）隔壁をさらに備え、それにより、各ロータ９３２は、別個のチャンバ２２４に配置される。
【００７０】
ロータ９３２を、互いに対して右回りにまたは左回しにずらすことができ、それにより、各ロータ９３２は、所与の瞬間にそのチャンバ２２４内の異なる軌道位置に配置される。ずれたロータ９３２を並列に動作させることにより、いくつかの利点が提供される。たとえば、ロータ９３２のずれ角が、シャフト２３４に結合されるモータ／発電機に対するトルクのバランスをとることができる。特に、単一ロータ９３２の偏心運動から発生する振動およびシャフト曲げ荷重が、追加のロータ９３２の逆の動きによってバランスがとられる。さらに、ずれ角は、第１通路および第２通路内の圧力の変動を、種々の位相角で動作しているロータにわたる吸込および吐出の脈動を平均することにより、またこれらの流路内の容積を増大させることによりさらに制限する。流路内の容積を増大させることにより、望ましくないほど高い吐出圧力または望ましくないほど低い吸込圧力がある危険が低減する。上述したように、１つの段からの吐出を、次の段の吸込と同時に起きるようにタイミングを取ることができ、それにより、全体的な流れを平滑化し、望ましくない圧力の変動を回避することができる。
【００７１】
組立技法
図１０は、本開示の別の実施形態によって構成された回転容積型システム１０１０の組立分解側面等角図である。システム１０１０は、組立コストおよび材料を低減する「リングおよびプレート（ｒｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｌａｔｅ）」技法を用いて組み立てられる。組立方法は、チャンバハウジング１０１８および外側ハウジング１０５０を円柱状部分に成形することを含む。これを、板材を圧延し溶接することを含む、さまざまな方法により、または材料を円柱形状に鍛造することによって行うことができる。ポート開口部１０２６を、チャンバハウジング１０１８を形成するために用いられる板材に事前に切断することができる。隔離体１０４５を成形するかまたはチャンバハウジング１０１８に結合して、結果として得られるシステム１０１０において通路間の分離をもたらすことができる。
【００７２】
いくつかの実施形態では、本方法は、材料または構造、たとえば熱交換器、分配プレート、チャンバハウジング１０１８および／または外側ハウジング１０５０のうちの１つまたは複数をコーティングすることを含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、本方法は、耐腐食性のために、鋼等の構造材料の上にプラスチック等のコーティングをフレーム溶射することを含むことができる。他の実施形態では、硫化モリブデンまたはグラファイト等の乾燥潤滑剤を施すことができる。さらにまたは別法として、テフロン、エポキシまたはポリカーボネート等の低摩擦コーティングをいくつかの面に施してもよい。他の実施形態では、システム１０１０の１つまたは複数の要素に、セラミック材料をコーティングすることができる。本方法は、シャフト２３４、ロータ３３２、チャンバハウジング１０１８および外側ハウジング１０５０を軸方向に位置合せすることをさらに含むことができる。シャフト、ロータおよびチャンバハウジング１０１８は、外側ハウジング１０５０内で半径方向に入れ子になる。いくつかの多段実施形態では、シャフト２３４は、雄−雌スプライン特徴またはピン付きソケット継手等の分離可能な継手で嵌合されるいくつかの区分化された部分を備えている。特定の実施形態では、シャフトは中空であり得る。
【００７３】
ロータ３３２、シャフト２３４およびチャンバハウジング１０１８が、外側ハウジング１０５０内で軸方向に位置合せされると、本方法は、外側ハウジング１０５０の第１軸方向側面１０５３に第１隔壁１０６２ａを位置決めすることと、外側ハウジング１０５０の第２軸方向側面１０５５に第２隔壁１０６２ｂを位置決めすることをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、第１隔壁１０６２ａおよび第２隔壁１０６２ｂは、それぞれ第１隔壁直径および第２隔壁直径を有し、第１隔壁直径および第２隔壁直径は、外側ハウジング１０５０の直径および／またはチャンバハウジング１０１８の直径より大きい。隔壁１０６２ａ、１０６２ｂは、図６Ｃを参照し先により詳細に説明したように、１つまたは複数の流れ開口部６８２を含むことができる。
【００７４】
組立方法は、複数の引張部材１０９６（多部品引張部材１０９６ａ、１０９６ｂおよび１０９６ｃとして識別される）により、第１隔壁１０６２ａを第２隔壁１０６２ｂに接続し、それにより、第１隔壁１０６２ａと第２隔壁１０６２ｂとの間に外側ハウジング１０５０を固定し、内部加圧可能空間を密閉することをさらに含むことができる。引張部材１０９６は、ロッドおよびボルト、ラッチ、締結具および／または他のコネクタを含むことができる。いくつかの実施形態では、引張部材１０９６は、第１隔壁１０６２ａを、外側ハウジング１０５０の半径方向外側で第２隔壁１０６２ｂに固定する。隔壁１０９６を、外側ハウジング１０５０にさらに封止することができる。他の実施形態では、外側ハウジング１０５０はなくてもよく、隔壁１０６２を、チャンバハウジング１０１８の第１軸方向側面および第２軸方向側面に配置することができる。多段構造の場合、隣接する段は、内圧荷重の支持を支援する軸方向段の間のガスケットシールにより、共通の隔壁を共有することができる。引張部材１０９６によって圧縮されるガスケットまたはＯリングシールは、頑強かつ取外し可能な継手をもたらすことができる。さらに、隔壁１０６２を、チャンバハウジング１０１８または外側ハウジング１０５０のうちの少なくとも一方に溶接するかまたは封止することができる。
【００７５】
リングおよびプレート組立の実施形態は、容易な組立ておよび分解、ならびに内部空洞への迅速かつ直接の保守アクセスを含む、いくつかの利点を提供する。本設計の別の特徴は、モジュール式であり得るということである。たとえば、異なる段が同じかまたは同様の共通部品を使用することができ、それにより製造コストおよび機械加工コストを低減することができる。図６Ｂに示すものと同様の多段システムは、複数段に対して同一の穿孔およびシャフト開口部を有する同一の隔壁を組み込むことができる。いくつかの実施形態では、１つの段から次の段へ同様の圧力比を維持し、かつ空気をわずかな増分で圧縮または膨張させるために、段の長さは異なり得る。段の長さが異なるにも関らず、同じ工具および組立体を用いて、異なる段のチャンバハウジングおよび外側ハウジングの円柱を形成することができる。上述したモジュール式設計を用いて、段の数を容易に調整することができる。
【００７６】
ブレイトンサイクル
上述した多くの回転容積型装置を、双方向圧縮機／膨張機システムに関連して説明したが、本明細書に開示する特徴および方法を、専用圧縮機および専用膨張機で同様に使用することができる。図１１は、本開示の実施形態によって構成された専用圧縮機１１７６および専用膨張機１１７７を有する回転容積型システム１１１０の内部の等角図である。システム１１１０は、ブレイトンサイクル熱機関として使用されるように構成されており、そこでは、作動流体は、気体として圧縮され、加熱され、その後に膨張する。システム１１１０は、シャフト２３４に沿って軸方向に位置合わせされた、専用圧縮機１１７６、熱供給源１１７８および専用膨張機１１７７を含む。圧縮機１１７６、熱源１１７８および膨張機１１７７は、穿孔隔壁２６２または他のタイプの流体通路を通して流体連通することができる。いくつかの実施形態では、システム１１１０は、圧縮機および／または膨張機の複数の段を含む。
【００７７】
個々の圧縮機１１７６および膨張機１１７７は、本明細書に記載する特徴のうちのいずれをも含むことができる。たとえば、図示する圧縮機１１７６は、入力ポートおよび吐出ポート（図１１では見えない）を有する圧縮チャンバ１１７９と、シャフト２３４に回転可能に結合された二葉ロータ２３２と、低圧通路１１１６と、高圧通路１１１４と、熱交換器１１５８と、外側ハウジング２５０とを含む。圧縮機１１７６は、低圧通路１１１６からの流体を圧縮チャンバ１１７９内に導入するように構成され、圧縮チャンバ１１７９では、流体は圧縮され、その後高圧通路１１１４内に吐出される。圧縮機１１７６と一体的な熱交換器１１５８を、図６Ａ〜図６Ｄを参照して上述したものと同様とすることができ、熱交換器１１５８は、多段圧縮機では、段間の流れを冷却することができ、圧縮プロセスの効率をさらに向上させる。いくつかの実施形態では、システム１１１０は、空気調和（たとえば、暖房および熱駆動冷房）のために圧縮中に発生する熱を分散させるように構成された熱分散システム、または流体分配器（図示せず）に接続されている。他の実施形態では、圧縮機１１７６は、三葉またはそれより多いローブのロータ、可変形状シール、先端広がり部、アキシャル型熱交換器または他の特徴等の別の特徴を有することができる。
【００７８】
熱源１１７８は、実施形態毎に異なってもよい。たとえば、図示する実施形態における熱源１１７８は、複数の燃焼チャンバ１１８１を備えている。他の実施形態では、熱源１１７８は、単一燃焼チャンバであってもよい。熱源は、バイオマスあるいは石炭等の固形燃料、ガソリンあるいはディーゼル等の液体燃料、または天然ガスあるいは水素等の気体燃料を使用することができる。別の実施形態では、熱源１１７８は、１つまたは複数の熱交換器、たとえば上記図６Ａ〜図６を参照して上述したタイプの熱交換器のいずれかを含むことができる。たとえば、熱源１１７８は、自動車エンジンまたは発電所ガスタービンの排気によって加熱される熱交換器流体による「廃熱回収」熱交換器を含むことができる。他の実施形態は、熱交換器およびそれに続く燃焼チャンバ等、２つ以上のタイプの熱源を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱源１１７８は、圧縮機および膨張機と共通の外側ハウジングを共有する。熱源外側ハウジングを、明瞭にするために図１１には示していない。
【００７９】
膨張機１１７７を、圧縮機１１７６と構造的に同様または同一とすることができるが、ただし膨張機１１７７は、高圧通路からの流体を膨張チャンバ内に導入するように構成され、膨張チャンバでは、流体が膨張し、その後、低圧通路内に吐出される。一体型膨張機熱交換器は、多段膨張機において段の間の流体を加熱することができる。いくつかの実施形態では、膨張機１１７７は、軸方向長さＬＥが圧縮機の軸方向長さＬＣより長く、それにより、加熱流の体積の増大を可能にする。図示する実施形態では、圧縮機１１７６、熱供給源１１７８および膨張機１１７７は、軸方向に位置合せされるが、他の実施形態では、それらを半径方向にまたは他の方向に方向付けることができる。さらに、さまざまな実施形態において、圧縮機１１７６、熱供給源１１７８および／または膨張機１１７７は、共通のシャフト２３４を共有するかまたは別個のシャフトを有することができる。
【００８０】
本明細書に開示する回転容積型装置のさまざまな実施形態は、多数の利点を提供し、そのうちのいくつかを、特定の特徴に関して上述した。二葉式および三葉式の実施形態は、さまざまな機構（たとえば可変形状シールおよび／または先端広がり部）を用いて、圧力調整チャンバと通路との間の逆止め弁を不要にする。これらシステムは、逆流状態およびいずれのポートも開放していない時間を低減するかまたはなくすことができる。これらの機構により、システムコストおよび複雑性も低減することができ、それにより初期システムコストおよび後の保守コストが低減する。上述した配置により、システムは、圧縮モードと膨張モードとの間でより迅速にかつ動的に交互になることも可能になる。さらに、装置のうちのいくつかにおいてポートサイズが相対的に大型であることにより、吸込ポートおよび排出ポートにおける圧力損が低減され、この場合もまた装置の全体的な効率が向上する。
【００８１】
本明細書に開示する組立技法のうちのいくつかは、従来の技法に比較してコスト節減を提供する。これらのうちのいくつかとしては、材料要件を低減すること、コーティングにより材料耐久性を向上させること、部品および製造方法を共有すること、廃熱の有効な使用、ならびに組立および分解時間の低減が挙げられる。圧縮機および膨張機を単一の効率的な構造に結合し、各動作モードに対して、共通の熱交換器等、同じ内部構成要素を使用することにより、別個の圧縮機および膨張機を有する他の装置に比較してシステムコストが大幅に低減する。さらに、本明細書に開示した装置のうちのいくつかは、シャフトを介して電気モータに直接結合されて動作することができる。これにより、ギアボックスに関連するコストが低減するかまたはなくなり、システムの全体的な技術的複雑性が低減する。
【００８２】
上述した特徴は、図１に示すように、エネルギーを貯蔵するとともに放出するために使用される圧縮機／膨張機システムに関連して特に有利であり得る。特に、上述した特徴により、断続的に、不連続に、または他の可変ベースでエネルギーを提供することができる供給源によって供給されるエネルギーを、貯蔵し放出するコストを低減することができる。たとえば、いくつかの再生可能なエネルギーサービス（たとえば、太陽エネルギーおよび風エネルギー）は、通常、非常に可変式にエネルギーを提供する。こうしたエネルギー源を使用するコストを効率的にかつ有効に低減するシステムおよび方法により、化石燃料の使用を低減することと、したがって地球温暖化およびエネルギーの海外依存度を低減することを含む、著しい利益をもたらすことができる。
【００８３】
上述したことから、本技術の所定の実施形態を、例示の目的で本明細書において説明したが、本技術から逸脱することなくさまざまな変更を行うことができることが理解されよう。たとえば、本開示のいくつかの特徴を、双方向回転容積型システムに関連して説明している。先端広がり部、可変形状シール、一体型熱交換器、中空ロータ、組立技法、材料およびチャンバ／ロータ形状を含むこれらの特徴の多くを、双方向ではないシステムに関連して適用することができる。特定の実施形態では、これらの特徴および他の特徴を、専用圧縮機または膨張機システムに、かつ／または本明細書に記載したものと略同様の他の特徴を有するシステムに適用することができる。特定の実施形態では、特徴のうちのいくつかまたはすべてを、一体型熱交換器があってもなくても、二葉ロータおよび／あるいは３つ以上のローブを有するロータ、多段システム、ならびに／または並列吸込および出力配置に関して使用することができる。
【００８４】
特定の実施形態に関して説明した技術の特定の態様を、他の実施形態で結合するかまたはなくしてもよい。たとえば、いくつかの実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含まなくてもよい。すなわち、先端ローラあるいは他の封止特徴、先端広がり部、可変形状シール、複数段、材料コーティング、リングおよびプレート組立技法、中空ロータまたは本明細書に開示した他の特徴である。さらに、いくつかの実施形態に関連する利点を、これらの実施形態に関連して説明したが、他の実施形態もまたこうした利点を示す場合があり、すべての実施形態が、本技術の範囲内にあるためにこうした利点を必ずしも示すとは限らない。したがって、本開示および関連技術は、本明細書に明示的に記載せずまたは示さない他の実施形態を包含することができる。
【図１】
2013521433.tif 000003
【図２】
2013521433.tif 000004
【図３】
2013521433.tif 000005
【図４Ａ】
2013521433.tif 000006
【図４Ｂ】
2013521433.tif 000007
【図４Ｃ】
2013521433.tif 000008
【図４Ｄ】
2013521433.tif 000009
【図４Ｅ】
2013521433.tif 000010
【図５】
2013521433.tif 000011
【図６Ａ】
2013521433.tif 000012
【図６Ｂ】
2013521433.tif 000013
【図６Ｃ】
2013521433.tif 000014
【図６Ｄ】
2013521433.tif 000015
【図７】
2013521433.tif 000016
【図８】
2013521433.tif 000017
【図９】
2013521433.tif 000018
【図１０】
2013521433.tif 000019
【図１１】
2013521433.tif 000020
【国際調査報告】
2013521433.tif 000021