(57)【要約】  準等温圧縮デバイスを備えたシステムを含むエンジンシステムおよび関連の方法を開示する。特定の実施形態によるエンジンシステムは、圧縮機入口および出口を有する圧縮機と、圧縮機出口に結合された燃焼器入口を有し、かつ燃焼器出口をさらに有する燃焼器と、燃焼器出口に結合された膨張機入口を有し、かつ膨張機出口と仕事出力デバイスとをさらに有する容積形膨張機と、を含む。燃焼器から膨張機に送られる高温燃焼生成物の流れを調整するためのバルブが燃焼器と膨張機との間に結合され、膨張機を出る燃焼生成物からエネルギを抽出するための排気エネルギ回収デバイスが膨張機出口に結合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機入口と圧縮機出口とを有する圧縮機と、
前記圧縮機出口に結合された燃焼器入口を有する燃焼器であって、前記燃焼器が燃焼器出口をさらに有する、燃焼器と、
前記燃焼器出口に結合された膨張機入口を有する容積形膨張機であって、前記膨張機が膨張機出口と仕事出力デバイスとをさらに有する容積形膨張機と、
前記燃焼器と前記膨張機との間に結合されたバルブであって、前記燃焼器から前記膨張機に送られる高温燃焼生成物の流れを調整するバルブと、
前記膨張機出口に結合された排気エネルギ回収デバイスであって、前記膨張機を出る前記燃焼生成物からエネルギを抽出するための排気エネルギ回収デバイスと、
を含むことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記排気エネルギ回収デバイスが、第１の流路と、前記第１の流路と熱連通している第２の流路と、を有する熱交換器を含み、前記第１の流路が前記圧縮機と前記燃焼器との間に結合されており、前記第２の流路が前記膨張機出口に結合されている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、前記バルブがロータリーバルブを含むことを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記ロータリーバルブが、
環状通路の周囲の半径方向外側に配置された壁を有するシリンダであって、前記シリンダが前記環状通路とほぼ軸方向に整列した軸線を中心として回転可能であり、前記壁が、前記シリンダが第１の回転位置にあるときには前記膨張機入口と整列し、前記シリンダが前記第１の回転位置とは異なる第２の回転位置にあるときには前記膨張機入口と整列しないポートを有するシリンダを含むことを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記バルブが能動的に冷却されるロータリーバルブを含むことを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記バルブが少なくとも１つの冷却ガス通路を含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記バルブが、少なくとも１つの軸方向に延びる第１のガス通路と、前記少なくとも１つの第１のガス通路から内方に環状に配置されており、かつ前記少なくとも１つの第１のガス通路に結合された少なくとも１つの軸方向に延びる第２のガス通路と、を含み、前記第１のガス通路が、冷却ガスの流れの受け取り、前記冷却ガスを第１の軸方向におよび前記第２のガス通路に案内するように配置されており、前記第２のガス通路が、前記第１のガス通路から前記冷却ガスを受け取り、前記冷却ガスを前記第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に案内するように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記第２のガス通路が、さらに、前記冷却流を前記年間通路内に案内するように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの冷却ガス通路が前記環状の流れ通路と流体連通している出口を有することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記バルブが１４００Ｋを超える持続温度に耐えるような定格の材料から形成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記燃焼器に結合された燃料源をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記圧縮機と前記燃焼器との間に結合された圧縮空気貯蔵容積部をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記圧縮機と、前記貯蔵容積部と、前記燃焼器との間において結合されたバルブをさらに含み、前記バルブが、空気を前記圧縮機から前記貯蔵容積部に案内するための第１の位置を有し、前記バルブが空気を前記貯蔵容積部から前記燃焼器に案内するための第２の位置を有することを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記圧縮空気貯蔵容積部が可搬式貯蔵タンクを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記貯蔵タンクと、前記圧縮機と、前記燃焼器と、前記膨張機と、前記排気エネルギ回収デバイスと、が可搬式貯蔵コンテナ内に収容されていることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記貯蔵タンクと、前記圧縮機と、前記燃焼器と、前記膨張機と、前記排気エネルギ回収デバイスと、が鉄道車両に収容されていることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記貯蔵容積部が地下容積部を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記貯蔵容積部が海面下容積部を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１９】
圧縮機入口と圧縮機出口とを有する多段式圧縮機と、
前記圧縮機のステージ間に流体連通した状態において結合されたインタークーラと、
前記圧縮機出口に結合された燃焼器入口を有する燃焼器であって、前記燃焼器が、燃焼器出口をさらに有する燃焼器と、
前記燃焼器出口に結合された膨張機入口を有する容積形膨張機であって、前記膨張機が膨張機出口と仕事出力デバイスとをさらに有する容積形膨張機と、
前記膨張機出口に結合された排気エネルギ回収デバイスであって、前記膨張機を出る前記燃焼生成物からエネルギを抽出するための排気エネルギ回収デバイスと、
を含むことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記排気エネルギ回収デバイスが、第１の流路と、前記第１の流路と熱連通している第２の流路と、を有する熱交換器を含み、前記第１の流路が前記圧縮機と前記燃焼器との間に結合されており、前記第２の流路が前記膨張機出口に結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記燃焼器と前記膨張機との間にバルブをさらに含み、前記バルブが約２４００Ｋ以下の動作範囲を有することを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記膨張機がロータリー膨張機であり、当該システムがポートを含み、かつ前記膨張機入口と前記燃焼器出口との間に流体連通した状態において結合されたバルブを含まないことを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記燃焼器および前記膨張機のうちの前記少なくとも１つを冷却するために前記燃焼器および前記膨張機のうちの少なくとも１つに結合され、かつ、さらに、再生流体を前記燃焼器に送達するために前記燃焼器に結合された再生流体システムをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記膨張機が往復動膨張機であることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記燃焼器に作動的に結合された、前記燃焼器における間欠燃焼プロセスを制御するためのコントローラをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、前記燃焼器の前記間欠燃焼プロセスを制御するための命令がプログラムされたコンピュータ可読媒体を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記燃焼器が非遮断式の入口を有し、かつ複数の膨張機サイクルにわたり燃焼生成物の連続流を前記膨張機に提供するように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項２８】
圧縮機入口と、
圧縮機出口と、
第１のステージ出口を有する第１の圧縮機ステージと、
前記第１の圧縮機ステージに結合されており、かつ第２のステージ入口を有する第２の圧縮機ステージと、
前記第１のステージ出口と前記第２のステージ入口との間に流体連通した状態において結合されたインタークーラと、
を有する準等温圧縮機と、
前記圧縮機出口に結合された燃焼器入口を有する燃焼器であって、燃焼器出口をさらに有する燃焼器と、
前記燃焼器出口に結合された膨張機入口を有する往復動容積形膨張機であって、前記膨張機が、膨張機出口と、軸出力デバイスと、をさらに有する往復動容積形膨張機と、
前記燃焼器と前記膨張機との間に結合されており、前記燃焼器から前記膨張機に送られる高温燃焼生成物の流れを調整するバルブであって、
弁体と、
前記弁体内に回転自在に収容されたシリンダであって、前記シリンダが環状通路から半径方向外側に配置された壁を有し、前記シリンダが前記環状通路とほぼ軸方向に整列した軸線を中心として回転可能であり、前記壁が、前記シリンダが第１の回転位置にあるときには前記膨張機入口と整列し、前記シリンダが前記第１の回転位置とは異なる第２の回転位置にあるときには前記膨張機入口と整列しないポートを有し、前記シリンダが、軸方向に延びる第１のガス通路と、前記第１のガス通路から内方に環状に配置され、かつ前記第１のガス通路に結合された軸方向に延びる第２のガス通路と、を含み、前記第１のガス通路が冷却ガスの流れの受け取り、前記冷却ガスおよび第１の軸方向におよび前記第２のガス通路に案内するように配置されており、前記第２のガス通路が、前記第１のガス通路から前記冷却ガスを受け取り、前記冷却ガスを前記第１の軸方向とは逆の第２の軸方向におよび前記環状通路内に案内するように配置されている、シリンダと、を含むバルブと、
第１の流路と、前記第１の流路と熱連通している第２の流路と、を有する熱交換器であって、前記第１の流路が前記貯蔵容器と、前記燃焼器との間に結合されており、前記第２の流路が前記膨張機出口に結合されている熱交換器と、
を含むことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２９】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記圧縮機が第１の圧縮機であり、
当該システムが、
流体貯蔵容積部と、
前記流体貯蔵容積部と前記第１の圧縮機との間に結合された第２の圧縮機であって、前記第２の圧縮機が、圧縮機および膨張機として交互に動作するように動的に反転可能である第２の圧縮機と、
をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項３０】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
空気を圧縮するステップと、
燃焼生成物を形成するために前記圧縮空気と燃料とを燃焼器内において燃焼させるステップと、
前記燃焼器と膨張機との間に配置されたバルブを閉位置から開位置に動作するステップと、
前記バルブが前記開位置にある間に前記バルブを通じて前記膨張機内に前記燃焼生成物を案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、
前記膨張機を出る前記燃焼生成物からエネルギを回収するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法において、前記空気が第１の体積の空気であり、当該方法が、前記膨張機を出る前記燃焼生成物から回収した前記エネルギを、第２の体積の圧縮空気を燃焼させる前に前記第２の体積の圧縮空気に添加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３２】
請求項３０に記載の方法において、前記バルブを動作するステップが前記バルブを回転するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項３０に記載の方法において、前記バルブを動作するステップが前記バルブを往復動させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３０に記載の方法において、前記バルブを冷却流体の流れにより冷却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３５】
請求項３４に記載の方法において、前記冷却流体の少なくとも一部が水を含むことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４に記載の方法において、前記冷却流体を燃焼生成物と組み合わせ、前記燃焼生成物および前記冷却流体の両方を、前記バルブを通じて案内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３７】
請求項３０に記載の方法において、エネルギを回収するステップが、前記燃焼生成物から前記燃焼器に入る空気および燃料のうちの少なくとも１つに熱を伝達するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３０に記載の方法において、空気を圧縮するステップが、
前記空気を第１の圧力に圧縮するステップと、
前記空気を圧縮するステップ後に前記空気を冷却するステップと、
前記空気を冷却するステップ後に、前記空気を前記第１の圧力よりも大きな第２の圧力までさらに圧縮するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３０に記載の方法において、前記圧縮プロセス、前記燃焼プロセス、前記動作プロセス、前記案内プロセス、前記膨張プロセスおよび前記回収プロセスの総合熱力学的効率が４０％超であることを特徴とする方法。
【請求項４０】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
空気を圧縮するステップと、
前記空気を圧縮するステップ後に前記空気を冷却するステップと、
前記空気を冷却するステップ後に前記空気をさらに圧縮するステップと、
前記空気をさらに圧縮するステップ後に、燃焼生成物を形成するために前記空気と燃料を燃焼器内において燃焼させるステップと、
前記燃焼生成物を容積形膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、
前記膨張機を出る前記燃焼生成物からエネルギを回収するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法において、前記空気冷却の前記プロセスから得た熱を使用して空間暖房を提供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４２】
請求項４０に記載の方法において、空気を圧縮するステップが圧縮機の第１のステージにおいて実施され、前記空気をさらに圧縮するステップが前記圧縮機の第２のステージにおいて実施され、前記空気を冷却するステップが、前記空気を圧縮するステップ後および前記空気をさらに圧縮するステップ前に前記空気をインタークーラに案内するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項４０に記載の方法において、前記圧縮プロセス、前記冷却プロセス、前記さらに圧縮するプロセス、前記燃焼プロセス、前記案内プロセス、前記膨張プロセスおよび前記回収プロセスの総合熱力学的効率が４０％超であることを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４０に記載の方法において、
前記燃焼器と前記膨張機との間に配置されたバルブを閉位置から開位置に動作するステップと、
前記バルブが前記開位置にある間に前記バルブを通じて前記膨張機内に前記燃焼生成物を案内するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項４５】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
空気を圧縮するステップと、
前記空気を圧縮するステップ後に前記空気を冷却するステップと、
前記空気を冷却するステップ後に前記空気をさらに圧縮するステップと、
前記空気をさらに圧縮するステップ後に、燃焼生成物を形成するために前記空気と燃料とを燃焼器内において燃焼させるステップと、
バルブの円筒状のバルブ要素を、回転軸線を中心として閉位置から開位置に回転するステップであって、前記バルブが前記燃焼器と膨張機との間に配置されている、ステップと、
前記さらに圧縮された空気の流れを前記バルブ要素の壁内の通路を通じて前記回転軸線に略平行する軸方向に、および前記通路から前記バルブ要素の環状開口部内に案内することによって前記バルブを冷却するステップと、
前記バルブが前記開位置にある間に、前記燃焼生成物を、前記バルブの環状開口部を通じて、および前記膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、
前記膨張機を出る前記燃焼生成物から前記燃焼器に入る追加の空気に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４６】
請求項４５に記載の方法において、前記燃焼生成物から熱を伝達するステップが、第１の熱量を伝達するステップを含み、当該方法が、前記エンジンの外部に熱を提供するために前記空気を冷却することにより得られた熱を使用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４７】
請求項４６に記載の方法において、熱を使用するステップが建物を暖めるために前記熱を使用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４８】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
プロセスを通じてエネルギを抽出するステップであり、
第１の容積部の空気を圧縮するステップと、
燃焼生成物を形成するために前記圧縮空気と燃料とを燃焼器内において燃焼させるステップと、
前記燃焼生成物を膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機の第２の容積部において前記燃焼生成物を膨張させ、前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップであって、前記第２の容積部が前記第１の容積部とは異なる、ステップと、
前記膨張機を出る前記燃焼生成物からエネルギを回収するステップと、
を含み、前記プロセスの熱力学的効率が４０％超である、プロセスを通じてエネルギを抽出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項４８に記載の方法において、前記熱力学的効率が５０％超であることを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４８に記載の方法において、前記熱力学的効率が６０％超であることを特徴とする方法。
【請求項５１】
請求項４８に記載の方法において、圧縮するステップが、前記空気をステージ内において圧縮するステップと、前記空気をステージ間において冷却するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項５２】
請求項４８に記載の方法において、前記燃焼生成物を前記膨張機内に案内するステップが、前記燃焼生成物を、バルブを通じて、および前記膨張機内に少なくとも１４００Ｋの温度で案内するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５３】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
空気を圧縮するステップと、
前記空気を圧縮するステップ後に、冷却された空気を形成するために前記空気を前記第１の圧力で冷却するステップと、
前記空気を冷却するステップ後に、前記空気をさらに圧縮するステップと、
前記空気をさらに圧縮するステップ後に、燃焼生成物を形成するために前記空気と燃料とを燃焼器内において燃焼させるステップと、
バルブの円筒状のバルブ要素を、回転軸線を中心として閉位置から開位置に回転するステップであって、前記バルブが前記燃焼器と膨張機との間に配置されているステップと、
前記さらに圧縮された空気の流れを前記バルブ要素の壁内の通路を通じて前記回転軸線に略平行する軸方向に、および前記通路から前記バルブ要素の環状開口部内に案内することによって前記バルブを冷却するステップと、
前記バルブが前記開位置にある間に、前記燃焼生成物を、前記バルブの環状開口部を通じて、および前記膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、
前記膨張機を出る前記燃焼生成物から前記燃焼器に入る追加の空気に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５４】
請求項５３に記載の方法において、前記燃焼生成物から熱を伝達するステップが第１の熱量を伝達するステップを含み、当該方法が、前記エンジンの外部に熱を提供するために前記空気を冷却することにより得られた熱を使用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５５】
請求項５４に記載の方法において、熱を使用するステップが、建物を暖めるために前記熱を使用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５６】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
プロセスを通じてエネルギを抽出するステップであり、
第１の容積部の空気を圧縮するステップと、
燃焼生成物を形成するために、前記圧縮空気と燃料とを前記第１の容積部とは異なる第２の容積部内において燃焼させるステップと、
前記燃焼生成物を容積形膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、を含み、前記プロセスの熱力学的効率が４０％超である、
プロセスを通じてエネルギを抽出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５６に記載の方法において、前記圧縮空気が第１の部分の圧縮空気であり、当該方法が、前記膨張機を出る前記燃焼生成物から熱を回収するステップと、第２の部分の圧縮空気を燃焼させる前に前記熱を前記第２の部分の圧縮空気に添加するステップと、をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５８】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
プロセスを通じてエネルギを抽出するステップであり、
第１の部分の空気を圧縮するステップと、
燃焼生成物を形成するために前記第１の部分の空気と燃料とを燃焼させるステップと、
前記燃焼生成物を容積形膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、
前記膨張機を出る燃焼生成物から熱を回収し、前記回収した熱を第２の部分の圧縮空気に添加するステップと、を含み、前記プロセスの熱力学的効率が４０％超である、プロセスを通じてエネルギを抽出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５９】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
プロセスを通じてエネルギを抽出するステップであり、
容積形膨張機の少なくとも２つのステージにおいて大気圧から大気圧を超える圧力に空気を圧縮するステップと、
前記圧縮機の第１のステージと第２のステージとの間において前記空気を冷却するステップと、
燃焼生成物を形成するために前記空気と燃料とを燃焼させるステップと、
前記燃焼生成物を容積形膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、を含み、前記プロセスの熱力学的効率が４０％超であるプロセスを通じてエネルギを抽出するステップ、を含むことを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５９に記載の方法において、前記空気が第１の部分の空気であり、当該方法が、前記膨張機を出る前記燃焼生成物から熱を回収するステップと、第２の部分の空気を燃焼させる前に前記第２の部分の空気に前記熱を添加するステップと、をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項６１】
エンジンシステムを動作するための方法であって、
プロセスを通じてエネルギを抽出するステップであり、
ターボチャージャーの使用なく第１の部分の空気を圧縮するステップと、
燃焼生成物を形成するために前記圧縮された第１の部分の空気と燃料とを燃焼させるステップと、
前記燃焼生成物を容積形膨張機内に案内するステップと、
前記膨張機内において前記燃焼生成物を膨張させて前記燃焼生成物から仕事を抽出するステップと、
前記膨張機を出る燃焼生成物から熱を回収し、第２の部分の圧縮空気に前記熱を添加するステップと、を含み、前記プロセスの熱力学的効率が４０％超であるプロセスを通じてエネルギを抽出するステップ、を含むことを特徴とする方法。
【請求項６２】
請求項６１に記載の方法において、前記熱を添加するステップが、前記第２の部分の空気を圧縮するステップの後および前記第２の部分の空気を燃焼させる前に前記熱を添加するステップを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
本願は、２０１１年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／５０２，３０８号明細書および２０１１年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／５６９，６９１号明細書の優先権を主張するものであり、その双方を参照により本明細書中に組み込む。参照により本明細書中に組み込む前述の出願および／または任意の他の材料が本願に提供される本開示と矛盾する限りにおいて本願が優先するものとする。
【０００２】
本技術は全般的にエンジンに関する。特定の実施形態は復熱を伴う準等温圧縮機関および容積形膨張機から分離された燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギ効率が重要な産業、経済およびさらには家庭の問題となっている世界では、動力およびエネルギ変換システム、特にエンジンにおいてエネルギ変換効率を考慮することが重要である。エンジンの現在の技術水準においては、開ループ型オットーサイクル、ディーゼルサイクルまたはブレイトン熱力学的動力サイクルを基にしたエンジンが支配的である。一般に、鉄道車両、重トラックおよび航空機タービンのそれぞれに代表される多くの用途においてこれらサイクルを基にしたエンジンは十分に効率的である。
【０００４】
オットーサイクルエンジンおよびディーゼルサイクルエンジンはおもに自動車の内燃機関における用途および他の低コストの消費者用途に使用される。これらタイプのエンジンは十分に効率的であり、軽量であり、幅広い用途のための製造が比較的安価であり、量産効果により結果的な単位原価が比較的低くなる。
【０００５】
内燃機関では、一般に、作動流体として空気を用いる。燃焼熱は、エンジンの熱力学的サイクルの適切な位置および時間に燃料を噴射し、作動流体としての空気と燃焼させることによって生成される。これにより、作動流体を膨張させること、および仕事を実施することが可能になる。いくつかの理由から、これらエンジンはそれらの理論限界よりも大幅に少ない動力を生成する。したがって、動力を変換するための手段として、これらタイプのエンジンの設計および効率の向上にかなりの焦点があてられている。
【０００６】
従来の内燃機関に関連する問題には、通常の効率がわずか約２０％〜４０％であること、各エンジンタイプに特定の燃料タイプを必要とすること、ならびに温室効果ガスおよび他の空気汚染物質の排出が顕著であることを含む。効率を制限する理由のいくつかは、圧縮、燃焼および膨張が全て同じ容積部において実施されるという事実に認められる。これらエンジンにおけるタイミング、燃料供給、点火のムラおよび作動流体の本質的に不完全な膨張という状況を考えると、これらシステムの熱力学的サイクルを１つの容積部内において最適化することが困難であることは周知である。
【０００７】
エンジンの理想的な熱力学的モデルはカルノーサイクルであるが、その効率を実際的なエンジンシステムにおいて達成することはできない。等温圧縮または等温膨張を基にした熱力学的エンジンサイクルは高効率が最も期待されるものである。残念ながら、適切な等温圧縮または等温膨張は、実際的な状況においては、複雑で嵩張る熱交換器を用いずには、および／またはかなりの量の直接接触熱交換流体（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｆｌｕｉｄｓ）をプロセスフローに噴射せずには（これは複雑さも増し、損失を増加させるおそれがある）実現が困難である。真の等温圧縮または等温膨張は、カルノーサイクル自体と共に、理論の領域にとどまるものである。
【０００８】
本技術は、発電、貯蔵および使用の分野に属するエンジンに関する上記の課題に対処するものである。
【発明の概要】
【０００９】
本明細書中に開示される技術のいくつかの非限定的な実施形態を以下に述べる。本技術の第１の態様による一実施形態は、第１の流体を圧縮するように作動的に構成された、冷却された圧縮機と、圧縮された第１の流体を受け取りかつ加熱するように作動的に構成された圧縮流体ヒータと、加熱された、圧縮された第１の流体を圧縮流体ヒータから制御可能に受け取るために作動的に構成された容積形膨張機と、圧縮された第１の流体を圧縮機から受け取るために作動的に構成された復熱器と、を含むエンジンを含む。したがって、復熱器は、圧縮された第１の流体を予備加熱することができ、かつ予備加熱された、圧縮された第１の流体を圧縮流体ヒータに供給することができる。第１の流体は、空気を含むがそれに限らないガスとすることができ、圧縮流体ヒータは第１の流体を燃焼して熱を生成する燃焼器とすることができる。
【００１０】
圧縮機は第１の複数の圧縮ステージを含むことができる。少なくとも１つのインタークーラを２つの連続する圧縮ステージ間に流体連通した状態において配置することができ、作動的に構成することができるが、これは、圧縮された第１の流体を２つの連続する圧縮ステージのうちの第１のステージから受け取るため、圧縮された第１の流体を冷却するため、ならびに圧縮された第１の流体を２つの連続する圧縮ステージのうちの第２のステージに提供するためである。
【００１１】
復熱器は、圧縮された第１の流体と第２の流体との間の熱連通を維持することにより圧縮された第１の流体を予備加熱するように構成することができる。第２の流体は容積形膨張機からの排出流体とすることができる。他の実施形態では、熱は圧縮機および／または太陽熱、廃熱などの外部源または他の外部源から回収することができる。
【００１２】
容積形膨張機は往復動式膨張機と高温吸気弁とを含むことができる。高温吸気弁は往復動式膨張機の膨張チャンバとヒータとに流体連通した状態で配置されており、加熱された、圧縮された第１の流体の、ヒータから容積形膨張機への移入を制御するように構成されている。バルブは、全体のサイクルの任意の時間または位置において、１２００Ｋを超える温度で作動可能である。いくつかの実施形態では、バルブは、１６００Ｋ、１７００Ｋ、２０００Ｋ、２４００Ｋ、２８００Ｋなどの、１４００Ｋを超える温度またはそれを超える温度で作動可能である。バルブは、セラミックコーティングされた動作面および／または高温動作を容易にする他の特徴を有することができる。バルブは、特定の実施形態においてはロータリーバルブとすることができ、他の実施形態においてはポペットまたは他のバルブとすることができる。
【００１３】
なおさらなる実施形態では、容積形膨張機はロータリー膨張機およびバルブレスポートを含むことができる。ロータリー膨張機は、１つまたは複数の回転部材を有することができ、加熱された、圧縮された第１の流体を圧縮流体ヒータから制御可能に受け取るように作動的に構成することができる。
【００１４】
燃焼器は、連続燃焼器、パルス式燃焼器および／または別の適切な燃焼器とすることができる。エンジンは、１つまたは複数のセンサと、１つまたは複数のフローモジュレータエフェクタと、センサおよびモジュレ−ティングエフェクタを監視および制御するように作動的に構成された１つまたは複数のマイクロコントローラと、を含むことができる。マイクロコントローラは、エンジンによって生成された動力、燃料の供給速度、燃料の源、オペレータの制限、および膨張機の排出特性のうち少なくとも１つを変えるように作動的に構成することができる。
【００１５】
本開示技術のさらなる態様による、燃料から動力を発生させるための方法は、第１の流体を準等温的に圧縮するステップと、圧縮された第１の流体を第２の流体からの熱を使用して予備加熱するステップと、圧縮された第１の流体をヒータ内において加熱するステップと、加熱された、圧縮された第１の流体を容積形膨張機内において膨張させるステップと、加熱された、圧縮された第１の流体の、ヒータから容積形膨張機への移入を制御するステップと、を含む。準等温圧縮は複数の圧縮のステージを含みうるものであり、圧縮された第１の流体は前記複数の圧縮のステージのうち直に連続する圧縮のステージの少なくとも１つの一対の間において中間冷却することができる。
【００１６】
第２の流体は膨張プロセスからの排出流体とすることができ、予備加熱プロセスは、第２の流体と圧縮された第１の流体との間において熱を交換するステップを含むことができる。加熱された、圧縮された第１の流体の、ヒータから容積形膨張機への移入は、例えば、１４００Ｋを超える比較的高温で作動可能な高温バルブにより制御することができる。
【００１７】
本開示技術の別の態様によるエンジンシステムは、圧縮された第１の流体を貯蔵圧力に圧縮するように作動的に構成された流体貯蔵圧縮機をさらに含む。エンジンシステムは、高圧流体貯蔵タンクまたは圧縮された第１の流体を貯蔵圧力で貯蔵するための他の容積部と、準等温圧縮機と復熱器との間の高圧流体ライン内に配置された案内バルブと、をさらに含みうる。案内バルブは、（ａ）圧縮された第１の流体を準等温圧縮機から復熱器に案内する、（ｂ）圧縮された第１の流体を冷却された圧縮機から高圧流体貯蔵圧縮機に案内する、および（ｃ）圧縮された第１の流体を高圧流体貯蔵タンクから復熱器に案内する、の中から選択するように作動的に構成することができる。流体貯蔵圧縮機は、また、貯蔵された高圧の第１の流体から受け取り、例えば、第１の流体が燃焼されるかそうでなければ加熱される前に第１の流体を膨張させるための膨張機として動作することができる。
【００１８】
本開示技術のさらなる態様によるエネルギを変換するための方法は、第１の流体を準等温的に圧縮するステップと、圧縮された第１の流体にエネルギ抽出プロセスおよび高圧貯蔵プロセスの１つを選択的に実施するステップと、を含む。エネルギ抽出プロセスは、圧縮された第１の流体を第２の流体からの熱を使用して予備加熱するステップと、第１の流体（または第１の流体と燃料との混合物）を燃焼させて熱を発生させることにより圧縮された第１の流体をさらに加熱するステップと、加熱された、圧縮された第１の流体を回転式、往復動式または他の容積形膨張機において膨張させるステップと、加熱された、圧縮された第１の流体の、ヒータから容積形膨張機への移入を制御するステップと、を含むことができる。高圧貯蔵プロセスは、第１の流体をさらに圧縮するステップと、第１の流体を高圧流体貯蔵タンク内に回収するステップと、を含むことができる。
【００１９】
本開示技術のさらなる態様によるエネルギを変換するための方法は、第１の流体を準等温的に圧縮するステップと、準等温的に圧縮された第１の流体を貯蔵圧力で流体貯蔵タンクまたは他の容積部内に貯蔵するステップと、可逆式の（例えば使用者により再構成可能な）圧縮機／膨張機において仕事を実施するために、圧縮された第１の流体にエネルギ抽出プロセスおよび膨張プロセスの１つを選択的に実施するステップと、を含む。エネルギ抽出プロセスは、圧縮された第１の流体を第２の流体からの熱を使用して予備加熱するステップと、圧縮された第１の流体を（例えば燃焼により）さらに加熱するステップと、加熱された、圧縮された第１の流体を容積形膨張機内においてさらに膨張させるステップと、加熱された、圧縮された第１の流体の、ヒータから容積形膨張機への移入を制御するステップと、を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本開示技術によるエンジンの一実施形態を示す。
【図２】図２は、本開示技術によるエンジンの別の実施形態を示す。
【図３】図３は、本開示技術によるエンジンを使用した、エネルギを変換するための方法の流れ図を示す。
【図４】図４は、本開示技術の一実施形態によるエネルギ変換および貯蔵システムを示す。
【図５】図５は、本開示技術の一実施形態によるエネルギを変換するための方法の流れ図を示す。
【図６】図６は、本開示技術の一実施形態によるエネルギを変換するための別の方法の流れ図を示す。
【図７】図７は、本技術の一実施形態による、作動流体を圧縮および／または膨張するように構成された２つのエンジンブロックを示す。
【図８】図８は、本開示の技術において使用されるロータリーバルブを示す。
【図９Ａ】図９Ａは、本技術の一実施形態による、ロータリーバルブを有する膨張機の一部の部分概略等角図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本技術の一実施形態による、ロータリーバルブを有する膨張機に結合された燃焼器を含むシステムの部分切開図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ｂに示される燃焼器および膨張機の一実施形態の拡大図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本技術の一実施形態による、ロータリーバルブの２つのライナ内の流れ通路を結合するための配置の部分概略切開図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本技術の一実施形態により構成された、内部冷却式ポペット弁の部分概略断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本技術の一実施形態による、フレア型の冷却通路出口を有する内部冷却式ポペット弁の部分概略断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本技術の一実施形態による、複数の通路出口を備えた内部冷却通路を有するポペット弁の部分概略断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、本開示技術の別の実施形態による、外部冷却フィルムを介して冷却されるポペット弁の部分概略断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本技術の一実施形態による、能動的に冷却される表面を有するピストンおよびシリンダの部分概略頂面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに示されるピストンおよびシリンダの一実施形態の部分概略側部断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、冷却されたヘッドまたはバルブハウジングが取り付けられた状態の、図１１Ａに示されるピストンおよびシリンダの一実施形態の部分概略側部断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本技術の一実施形態による、圧縮機および／または膨張機として動作するように構成された回転式デバイスの部分概略部分切開等角図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、ステージ間冷却配置をさらに示す、図１２Ａに示される圧縮機／膨張機の一実施形態の部分概略等角図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本技術の一実施形態による、標準サイズのコンテナ内に嵌合するように構成されたエンジンシステムの部分概略等角図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａに示されるエンジンシステムの部分概略図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本開示技術の特定の実施形態による、コンテナ内に貯蔵された一連のタンクの部分切開図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、本技術の一実施形態による、エンジンシステムおよび／またはマルチタンク配置を貯蔵するための複数のコンテナを示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、従来のエンジンと本開示技術によるエンジンシステムの予想エンジンシステム性能の比較を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、従来のエンジンと本開示技術によるエンジンシステムの予想エンジンシステム性能の比較を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、従来のエンジンと本開示技術によるエンジンシステムの予想エンジンシステム性能の比較を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本開示技術の実施形態は、準等温圧縮を復熱と共に用いる一方で、サブシステムのプロセスを別個に向上する（例えば、最適化する）ために、ヒータ、膨張機および圧縮サブシステムを分離することに関する利点を利用するエンジンを含む。結果は、その費用に対する効率が非常に高いおよび／または排出レベルが低く、燃料要件における許容範囲が良好なエンジンである。周知であり、しばしばエンジンシステムに関連する構造またはプロセスを説明するものであっても、本開示技術のいくつかの重要な態様を不必要に不明瞭にするおそれのあるいくつかの詳細については明確化目的のため以下の記載では説明しない。さらに、以下の開示では技術の異なる態様のいくつかの実施形態について説明するが、他のいくつかの実施形態はこの段落に記載されるものとは異なる構成または異なる構成要素を有することができる。したがって、本技術は、追加の要素を有するおよび／または図１〜１４Ｃを参照して以下に記載される要素のいくつかを有しない他の実施形態を有してもよい。
【００２２】
以下に記載される技術のいくつかの実施形態は、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ってもよい。当業者であれば、当技術は、以下に示し、説明されるもの以外のコンピュータシステムにおいて実施することができることは理解しよう。当技術は、以下に記載するコンピュータ実行可能命令の１つまたは複数を実行するように特にプログラムされた、構成された、または組み立てられた専用コンピュータまたはデータプロセッサにおいて具現化することができる。したがって、本明細書中において全般的に使用される用語「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意味し、インターネット機器および手持ち式デバイス（パームトップ型コンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、セルラー式または移動式電話、マルチプロセッサシステム、プロセッサベースのまたはプログラム可能な民生用電子機器、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。本開示技術の態様は、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したリモート処理デバイスによって実施される分散型の環境において実施することができる。分散型の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ローカルおよびリモートメモリ記憶デバイス内に配置してもよい。以下に記載する技術の態様は、磁気的にまたは光学的に可読なまたは取り出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記憶しても分散させてもよく、ネットワーク上に電子的に分散させてもよい。いくつかの実施形態では、当技術の態様に特化したデータのデータ構造および送信も当技術内に含まれる。他の実施形態では、そのようなデータ構造および送信は省略される。
【００２３】
本開示技術の実施形態を示すために図面および対応する説明を提供するが、それらは当技術の範囲を限定するものではない。本明細書内における「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の言及は、実施形態と関連して記載された特定の特徴、構造または特性が本技術の少なくとも一実施形態に含まれることを示すことを意図するものである。「一実施形態において」または「一実施形態」という文言が本明細書内の種々の場所に登場しても必ずしも全てが同じ実施形態を意味するとは限らない。
【００２４】
本開示では、文脈により他の意味であることが明白な場合を除き、用語「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」等の同用語の変形形態は他の付加物、構成要素、完全体またはステップを排除することを意図するものではない。
【００２５】
いくつかの実施形態を、フローチャート、流れ図、構造図またはブロック図として示されるプロセスとして開示する。フローチャートは動作の種々のステップを連続的なプロセスとして開示することができるが、動作の多くを並列でまたは同時に実施することができる。示されるステップは限定的であることを意図するものでも、示される各ステップが方法に必須であることを示すことを意図するものでもなく、単に代表的なステップである。
【００２６】
図１に概略的に示される一実施形態においては、エンジンシステム１００は、第１の流体を圧縮するように作動的に構成された冷却された圧縮機１１０と、圧縮された第１の流体を受け取りかつ加熱するように作動的に構成された圧縮流体ヒータ１２０と、を含む。エンジンシステム１００は、加熱された、圧縮された第１の流体を、圧縮流体ヒータ１２０から、ヒータ１２０の内部を容積形膨張機１３０の内部から隔てる高温吸気弁１４０を通じて受け取るための容積形膨張機１３０をさらに含む。エンジンシステム１００は、圧縮された第１の流体を冷却された圧縮機１１０から受け取り、圧縮された第１の流体を予備加熱し、予備加熱された、圧縮された第１の流体を圧縮流体ヒータ１２０に供給するように構成された復熱器１５０（例えば熱交換器）または他の排気エネルギ回収デバイスをさらに含む。この実施形態では、第１の流体（例えば作動流体）は空気である。他の実施形態では、第１の流体は、加熱すると適切な膨張を示す任意の適切な流体とすることができ、ガスを含むがそれに限らない。仕事出力デバイス１３７は、膨張機１３０から、例えば、発電機を駆動するためおよび／または他の有用な機能を提供するために使用されうる軸動力の形態または別のエネルギ形態の仕事を送達する。圧縮機１１０と膨張機１３０は、別個の作動流体容積部を有することができ、例えば、それぞれの作動流体容積部は重複しない。いくつかの実施形態では、ヒータ１２０（例えば燃焼器）は、圧縮機の作動流体容積部および膨張機の作動流体容積部の双方とは異なる作動流体容積部を有する。少なくともいくつかの実施形態では、３つの容積部全てが異なるものであるとは限らない。例えば、ヒータ容積部は膨張機容積部と重複することができる（例えば、膨張機容積部を含むか、膨張機容積部に含まれる）。
【００２７】
特定の実施形態では、圧縮流体ヒータ１２０は連続燃焼器であり、この連続燃焼器には、復熱器１５０から、復熱器流体出口１５２と、予備加熱流体ライン１５４と、ヒータ入口１２４と、を通じて供給される第１の流体（例えば空気）と燃焼させるための燃料が燃料供給ライン１２２を通じて供給される。他の実施形態では、圧縮流体ヒータ１２０は、パルス式燃焼器または作動流体を加熱するのに適した任意の一般的なヒータとすることができる。ヒータ１２０がパルス式燃焼器を含む場合、パルス式燃焼器は最後の圧縮機出力ポートの開閉または膨張機入力ポートの開閉の周波数もしくはシステム内における種々の共振のいずれかと調和するように調整することができる。この連係配置により、流体の流れの摩擦および流れのポンピングロスを低減することができる。パルス式燃焼器は、振動およびノイズを低減するためにシステムの高調波のいくつかと位相がずれるように調整することができる。
【００２８】
圧縮機１１０は複数の部分または圧縮ステージを含むことができる。図１では、例として、３つの部分または圧縮ステージ１１１、１１２および１１３が示される。この実施形態では、周囲空気入口１１４を通じて圧縮ステージ１１１、１１２および１１３の列に作動流体としての空気が供給される。少なくとも１つのインタークーラまたは他の熱伝達デバイスを、２つの連続する圧縮ステージ間に流体連通した状態において配置することができ、かつ圧縮された第１の流体を２つの連続する圧縮ステージのうちの第１のステージから受け取るように作動的に構成することができる。インタークーラは圧縮された第１の流体を冷却し、圧縮された第１の流体を２つの連続する圧縮ステージのうち第２のステージに提供する。図１に示される例では、第１のインタークーラ１１５が第１の圧縮ステージ１１１と第２の圧縮ステージ１１２との間に配置されており、第２のインタークーラ１１６が第２の圧縮ステージ１１２と第３の圧縮ステージ１１３との間に配置されている。他の実施形態はより多数またはより少数の圧縮ステージを含むことができ、いくつかの直に連続する圧縮ステージは、それらの間に配置されたインタークーラなしで互いに直に連結することができる。いくつかの実施形態では、圧縮ステージは、同時にまたは連続で動作する複数の容積形圧縮機機械の圧縮ステージとすることができる。
【００２９】
圧縮中、圧縮ステージ１１１、１１２および１１３において増加した圧力により作動流体（例えば空気）が加熱される。これが、エンジンの熱力学的サイクルの基本的な問題の１つに抵触し、潜在的非効率の原因となる。理想的なおよび理論上のカルノーサイクルではこの圧縮は等温である。このような等温圧縮は商用領域において経済的に実施可能なエンジンでは一般に達成不可能であるため、本開示技術の実施形態によるエンジンでは、圧縮ステージ間の作動流体を冷却するためにインタークーラ１１５およびインタークーラ１１６を用いる。本開示において、「準等温圧縮」という用語は、特定の実施形態として、理想的なカルノーサイクルの真の等温圧縮に近似するこの実際的な「中間冷却」を含むものとして使用される。他の実施形態では、理想的な等温圧縮プロセスに近似させるために他の技術を使用することができる。
【００３０】
復熱器１５０は圧縮された第１の流体と第２の流体との間に熱連通を提供することにより圧縮された第１の流体を予備加熱するように構成されている。図示される実施形態では、第２の流体は容積形膨張機１３０からの排出流体であり、復熱器加熱流体入口１５６を通じて復熱器１５０に、および膨張機排気ポートまたはバルブ１３４から排気ライン１３２に供給される。一実施形態において、復熱器１５０において使用された排出流体は、その後、復熱器ベント１５８において排出される。他の実施形態では、排出流体は復熱器１５０を通過した後に他の機能を果たすことができる。例えば、排出流体は、空間暖房のために（例えば、建物の暖房のため）、および／または比較的低級および／または低温の熱から有用な機能を抽出する他の状況において熱を提供するために使用することができる。
【００３１】
復熱器１５０は圧縮された第１の流体を予備加熱するためのいくつかの異なる手法のいずれにおいても機能するように構成することができる。例えば、復熱器１５０は、排出流体から作動流体に熱を伝達するように構成された熱交換器１５９を含むことができる。本技術の一実施形態において、復熱器１５０は、膨張機１３０の排気筒内に向流コイル式圧縮空気管（ｃｏｕｎｔｅｒｆｌｏｗ  ｃｏｉｌｅｄ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ａｉｒ  ｔｕｂｉｎｇ）を含む。別の実施形態では、熱連通を可能にする、例えば、高温の第２の流体からより低温の準等温的に圧縮された第１の流体に熱を通過させることを可能にしつつ、互いに直接流体接触しないようにそれらを分離したままにするために、２つの流体は薄板または別の熱伝導材料から作製された壁によって分離してもよい。したがって、復熱器は互いに熱連通状態にあるが流体連通状態にはない第１の流路および第２の流路を含むことができる。
【００３２】
復熱は、膨張前に作動流体に要求されるピーク温度に到達するのに必要な燃料または加熱エネルギの量を低減するために非常にエネルギ効率の良い手法とすることができる。排気エネルギ回収の一般的な技術は、排気ガスの過剰圧力を使用して圧縮ポンプを推進し、内燃機関の吸気圧力を増加させるターボチャージャーである。一部の熱エネルギがターボ膨張のプロセスにより抽出され、ガスは非常に高温でターボチャージ用タービンを出ることがあるが、それは一般に周囲に排出される（またはプロセス加熱を提供するためにコージュネレーションシステムにおいて使用される場合もある）。向流復熱器の手法により、排気熱はその熱の大部分を圧縮された流体に伝達することができ、エンジンがコージュネレーションシステムの一部である場合は任意の余熱も回収することができる。
【００３３】
圧縮空気または混合気が即座に点火および燃焼されるため、従来の内燃機関において復熱は達成が困難である。圧縮プロセスにおいて膨張に同じ容積形デバイスを使用する場合、一般に、その空気を排気熱復熱器に方向転換するための簡単な方法はない。さらに、単段圧縮プロセスの空気は中間冷却または準等温圧縮プロセスによる空気よりも高温であり、単段圧縮プロセスからの高温圧縮空気は排気ガスよりもあまり低温ではないことがある。言い換えると、圧縮プロセス中に冷却がなければ、復熱は圧縮空気温度に大きく寄与することはできない。一般に、本開示の実施形態の高温圧縮ガスは、平均温度を低く維持するプロセスにより同じ圧力が得られる場合よりも、提供に多くの仕事を要する。これは、必要な仕事の量がガスの体積に比例し、ガスの体積はガスの温度に比例することが理由である。復熱はこのエネルギを回収するための１つの技術である。
【００３４】
エンジンシステム１００は膨張機１３０の入口に高温吸気弁１４０を含むことができる。膨張機１３０の内部を高温吸気弁１４０により流体ヒータ１２０の内部から隔てる利点の１つは、それが膨張機１３０の特定の技術の選択において大きな柔軟性を提供することである。例えば、容積形膨張機１３０は往復動式膨張機１３６を含むことができ、したがって、高温吸気弁１４０は、ヒータ１２０から往復動式膨張機１３６内への、加熱および圧縮された作動流体の流れを制御することができる。
【００３５】
圧縮機１１０の膨張機１３０に対する全体容積比（ｏｖｅｒａｌｌ  ｖｏｌｕｍｅ  ｒａｔｉｏ）は膨張機１３０の所望の出口圧力の関数である。出口圧力を周囲外部圧力よりも高くまで膨張させることは周囲圧力まで膨張させることほど効率的ではないが、膨張機１３０の特定の押しのけ容積により大きな動力を提供する。したがって、潜在的に適切な幅広い選択肢があり、これら可能な解決策は容易に利用可能な容積形機械に匹敵するものであり、そうでなければ特別仕様の機械を使用することができる。中間冷却が使用される場合、準等温圧縮機の第１のステージの、その第２のステージと比較した（または第２のステージの、第３のステージと比較した）容量比は２つのステージのうち第１のステージにおいて得られる圧力比と強く相関する。つまり、第１のインタークーラ１１５が、第１のステージにおいて中間冷却された流体の温度を、それが第１の圧縮ステージ１１１に入るときに有していた（例えば周囲）温度近辺に戻す場合、第１のインタークーラ１１５を出る流体の体積はその第１のステージにおいて増加した圧力にかなり密接に比例する。
【００３６】
第１のインタークーラ１１５を出る温度が周囲温度を超えて増加するにつれて、出て行く作動流体の体積が増加するが、これは圧縮機１１０の第２の圧縮ステージ１１２において必要とされる体積と相関する。前のステージにより押しのけられた作動流体の質量は後に続くステージまたはプロセスによって受容される（ｉｎｇｅｓｔｅｄ）質量に一致する必要がある。当業者によって選択された変化する圧力および温度が各ステージ間において使用される容積比を決定する。特定の実施形態においては、容積形機械はその全押しのけ容積よりも小さい体積の作動流体を受容することができる。例えば、往復動機械においては、吸気弁を吸気「行程」の全１８０度未満開くことによってそれを行ってもよい。
【００３７】
燃焼が膨張機１３０の膨張チャンバの外部で行われる実施形態において、１つの課題は、高温高圧の作動流体をヒータ１２０の燃焼チャンバから往復動式膨張機１３０の膨張チャンバ内に移動させねばならないことである。容積形膨張機においては、作動流体の流れは全般的に間欠的に開始され、その後、間欠的に停止されなければならない。したがって、本技術の実施形態は高温バルブ１４０を含む。
【００３８】
作動流体としてガスを利用する場合、温度が高くなるほどより高い効率が得られるため、燃焼ガスの所望の温度は、一般に、燃焼ガスの実際的な温度と同程度高い。これら温度は、１２００Ｋ、１４００Ｋ、１６００Ｋ、１７００Ｋ、２０００Ｋ、２４００Ｋまたは２８００Ｋ超とすることができる。これら温度は、全般的に、未保護の金属材料を損傷するものである。さらに、往復動式膨張機１３６の膨張チャンバ内の圧力が高温作動流体の圧力を大幅に下回る場合、高温吸気弁１４０を通過する作動流体の流量が多くなるおそれがある。吸気弁１４０における課題は高温加圧流体のこの有害な流れを耐え抜くことである。したがって、少なくともいくつかの実施形態では、吸気弁１４０の構造を、高温作動流体から断熱することができる、および／または能動的に冷却することができる。さらなる詳細については図８〜１０Ｄを参照して後述する。
【００３９】
膨張機出口にある排気弁１３４は膨張機１３０を出る作動流体の流れを制御する。膨張機出口における流体は膨張機入口における流体よりも低温であるため、排気弁１３４は吸気弁１４０と同じレベルの熱耐性を要しなくてもよい。排気弁１３４が閉じる時間を調整することによって、膨張機１３０の押しのけ空洞（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｃａｖｉｔｙ）内に残った作動流体を燃焼器１２０内の圧力近辺まで圧縮することができる。例えば、膨張機１３０がピストンを含む場合、類似のエンジンブロックの標準使用では排気行程とみなされる最後の部分をピストンが終えると排気弁１３４を閉じることができる。このタイミングは、ヒータ１２０の燃焼チャンバと膨張機１３０の膨張チャンバとの間の圧力差を低減するように選択することができ、それによって、吸気弁１４０が開くときの流れ速度、関連する伝熱係数および腐食力学（ｅｒｏｓｉｖｅ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）が低下する。吸気弁１４０のタイミングを調整するためのプロセスは、例えば、クランク／駆動軸とバルブ作動機構との間の機械的なリンクを介して駆動されるバルブを用いて、簡単な従来のバルブタイミング技術により制御することができる、および／またはタイミングはバルブタイミング機能を実行するための特定の命令がプログラムされたプロセッサによりコンピュータ制御することができる。燃焼器における間欠燃焼プロセスを制御するために類似の配置を使用することができる。
【００４０】
排出作動流体および他の動作パラメータを求めるためにセンサを使用することができる。これらを種々のパラメータ、例えば、ヒータ１２０への燃料の流れを調整することができる１つまたは複数のマイクロコントローラに供給することができる。加熱プロセスは、一般に、圧縮された第１の流体（例えば作動流体）に燃料を添加するステップと、適切な燃焼プロセスを動作するステップと、を含む。燃料の流れを制御することは、一般に、システムのパワーレベルを変えるための主要な絞りの技術である。
【００４１】
膨張機１３０とは別に燃焼（例えば、連続、準連続および／または間欠燃焼）を利用する構成では、燃焼は、内燃機関に課せられるタイミング要件からより独立したモードにおいて動作する。したがって、燃焼器１２０は制御するとすれば非常にわずかに制御される比較的にシンプルなものとすることができる。他の実施形態はより複雑な設計を含む。燃焼器１２０のいくつかの設計では、例えば、反応物質を予混合すること、流れ圧力を調節すること、および／またはオリフィスサイズを変更することによって、燃焼技術および／またはパラメータを変更することを可能にする。そのようなパラメータの変更は燃焼後のガスの温度および／または化学的性質を変化し、温度が変化するおよび／またはＮＯｘ、ＣＯおよび／または未燃焼炭化水素の排出が変化するという効果がある。これら実施形態の少なくともいくつかでは、燃焼器は非遮断式の（ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ）（例えば、非バルブ式）入口を有し、複数の膨張機サイクルにわたり燃焼生成物の連続流を膨張機に提供するように配置されている。これは、各膨張サイクルに１つの、別個の量の燃焼生成物を提供する従来の内燃機関とは異なるものである。
【００４２】
吸気弁１４０のタイミングを変えると、例えば、動作圧もしくは容積形空洞が異なるプレナムまたは通路に開かれる時を変えることによりシステムの動作特性を変えることができる。バルブがいかに迅速に開閉するか、ならびに、ガスがその開口部をいかに流れるかについての詳細がバルブタイミングに影響する。さらに、外部環境または制御設定（例えば、スロットル設定）の変化により、システム全体の種々の箇所における作動流体の圧力を変えることができる。したがって、バルブ１４０の動作のタイミングを変えることは有利となりうる。適切な技術には、バルブ作動システムの軸の「クロッキング」位置を変更するなどの、内燃機械において現在使用されているものを含む。典型的なポペット弁設計では、このプロセスは、クランクシャフト位置に対するカムシャフトの「クロッキング」を含み、もしくは、同様にロータリーバルブにおいては、弁体の角度位置の「クロッキング」を含む。これを行う１つの簡単な手法は、角度位置を偏倚するために、カム／バルブ駆動ベルトまたはチェーンに調整可能なアイドラプーリを用いることである。より新規の技術により、電子的制御または油圧式作動によるバルブの良好な動的操作が可能となる。エンジンを監視および制御するために用いることができる他の制御パラメータには、動作温度、潤滑剤の流れおよび安全動作限界を含むが、それらに限定されるものではない。
【００４３】
本技術のいくつかの実施形態では、容積形膨張機１３０は、例えば、両ユニットを同じ軸に配置することによって、または準等温圧縮機１１０を、ベルトを介して駆動することによって準等温圧縮機１１０を駆動するように構成することができる。他の実施形態では、準等温圧縮機１１０は別個の原動力源により駆動することができる。特定の実施形態では、膨張機１３０は電気を発生させるために発電機に接続することができ、圧縮機１１０は、発電機から、または、例えば、エネルギ貯蔵実施形態においては別の電源から電流を受け取る電動モータに接続することができる。例えば、クラッチまたはダイレクトドライブ機構と共に、モータ／発電機を圧縮機と膨張機との間に配置すると、例えば、貯蔵された、圧縮された流体を利用または形成することによって、特定の時間に圧縮のみまたは膨張のみが起こる動作モードを可能にすることができる。この配置は、また、圧縮プロセスおよび膨張プロセスの両方が同時に起こるが、それぞれが異なる質量流量、および、同様に、等しい質量流量で動作する場合とは異なる動力を有するモードを促進することができる。
【００４４】
システム１００は再生冷却デバイス１６０も含むことができる。再生冷却とは、一般に、システム要素の冷却のために流体を使用し、その後、冷却剤が、冷却プロセス後、作動流体または他のプロセスフローに導入されるプロセスを意味する。フィルム冷却は、筐体の表面に沿う流体の平均温度を低下させるため、高温の流体の流れとその流れを取り囲む筐体との間に低温の流体が案内される特定の例である。注入された流体は全体的な作動流体の一部になる。別の実施形態では、冷却流体は固体の境界によって高温の流体から分離される。低温の流体がその固体の境界の近接部により加熱されると、それは作動流体などのより高温の流れに導入することができる。
【００４５】
再生冷却流体（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）は作動流体に再導入される前にいくつかの場所に案内することができる。流体は１つの場所に案内することができる、および／または複数の場所に同時に案内することができる、および／または複数の場所に連続して案内することができる。代表的な場所は、燃焼器、復熱器、膨張機および／または圧縮機を含む。図１に示す特定の実施形態では、再生流は、冷却のために膨張機および／または燃焼器に案内され、加熱されると、燃焼器の上流側の作動流体に再案内される。図１では、再生器を別個のデバイスとして概略的に示すが、再生器は、再生器が冷却するデバイスと、例えば、図９Ａ〜１１Ｃを参照して後述する能動的な冷却通路の形態で一体化することができる。
【００４６】
本技術による代表的なエンジンシステム２００のさらなる実施形態を概略的に示す図２を示す。図１に示されるものと同一または全般的に等しい構成要素には同じ参照符号を付す。この実施形態では、容積形膨張機１３０はバルブレスポート２４０に結合されたロータリー膨張機２３６を含む。ロータリー膨張機２３６は回転するロータが可変容積チャンバを形成する容積形機械である。この配置の例には、ワンケルシリンダ型またはロータリーベーンポンプを含む。エンジンの他のサブシステムは図１の実施形態のものと類似または同一とすることができ、類似または同一の手法で機能することができる。図２の実施形態の特定の特徴は、ロータリー膨張機２３６が１つまたは複数の回転部材を有することができ、かつ自身の回転部材の１つまたは複数によって自身の吸気バルブ調節を実施することができるということである。これにより、この実施形態においては高温吸気弁の要件が排除される。適切なロータリー膨張機２３６の非限定的な例の１つは、米国特許出願第１３／０３８，３４５号明細書に記載されている２ローブ式双方向ロータリー膨張機（ｔｗｏ  ｌｏｂｅ  ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｒｏｔａｒｙ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）であり、同明細書は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４７】
図３は、本技術のさらなる態様による燃料から動力を発生させるためのプロセス３００を示す。ここで図１の装置を参照して記載されるプロセスは、圧縮機（例えば、図１に示される圧縮機１１０）内において作動流体を準等温的に圧縮するステップ（プロセス部３１０）を含む。プロセス部３２０は、（例えば、復熱器１５０内の）圧縮された作動流体を予備加熱するステップを含み、プロセス部３３０は、燃料を作動流体に添加し、生じた混合物を燃焼させることによって（例えば、ヒータ１２０内の）圧縮された作動流体を加熱するステップを含む。プロセス部３４０は、（例えば、ヒータ１２０からの）圧縮および加熱された作動流体の、膨張機（例えば、往復動式膨張機１３６）の膨張チャンバ内への移入を、高温吸気弁の使用により制御するステップを含む。プロセス部３５０は加熱および圧縮された作動流体を膨張させるステップを含む。作動流体を予備加熱するステップ（プロセス部３２０）では排出作動流体の熱を使用する。加熱および圧縮された作動流体の、膨張機への移入を（例えば、高温吸気弁により）制御するステップは１２００Ｋを超える温度で起こりうる。ある状況下では、そのステップは、１７００Ｋ、２０００Ｋ、２４００Ｋまたは２８００Ｋなどの１４００Ｋを超える温度で起こりうる。図２の装置の場合、方法は、膨張プロセス（プロセス部３５０）および制御プロセス（プロセス部３４０）に関するもの以外は少なくとも全般的に類似するものである。例えば、プロセス部３５０はロータリー膨張機において行うことができ、プロセス部３４０はロータリー膨張機自体の内部で行うことができる。図２に示される実施形態に吸気弁１４０はない。プロセス部３４５は、例えば、冷却流体をヒータおよび／または膨張機に送達し、冷却流体をヒータの上流側などの全体的なプロセスフローに戻すことによって熱を再生するステップを含む。
【００４８】
図１、２および３に示される実施形態例では、作動流体は空気とすることができ、（燃焼器の燃料に加えて）第２の反応物質として機能することができる。本技術のより一般的な実施形態では、熱の生成は作動流体サイクルの外部とすることができる。
【００４９】
第１の作動流体を準等温的に圧縮するステップ（プロセス部３１０）は、圧縮された作動流体を圧縮ステージ間において中間冷却する一方で作動流体を複数の圧縮ステージにおいて圧縮することを含むことができる。図１、２および３に示される一実施形態において、準等温圧縮するプロセスは、第１の圧縮ステージ１１１における第１の圧縮プロセス（プロセス部３１１）と、第１のインタークーラ１１５における第１の中間冷却プロセス（プロセス部３１５）と、第２の圧縮ステージ１１２における第２の圧縮プロセス（プロセス部３１２）と、第２のインタークーラ１１６における第２の中間冷却プロセス（プロセス部３１６）と、第３の圧縮ステージ１１３における第３の圧縮プロセス（プロセス部３１３）と、を含む。
【００５０】
予備加熱プロセス（プロセス部３２０）は膨張機の排気から熱を回収するステップを含むことができる（プロセス部３２２）。プロセス部３２２において回収された熱は、作動流体がヒータ１２０に入る前に熱を交換することによって（プロセス部３２４）、圧縮された作動流体を予備加熱するために復熱器１５０に案内される。
【００５１】
図１および図２の例では、燃料は作動流体を形成する空気と燃焼される。したがって、ヒータ１２０の内部が膨張機１３０の内部から分離されているにもかかわらず、これら２つの構成要素は吸気弁１４０（図１）またはポート２４０（図２）を通じて間欠的に流体連通したままである。したがって、本開示技術の実施形態によるエンジンは燃焼が、ほとんどの内燃機関のように膨張機の膨張チャンバ内でなくとも作動流体内において起こるという点で原則的に内燃機関である。他の実施形態では、燃料と作動流体が分離されたままになるようにヒータ１２０を外部加熱することができる。
【００５２】
本開示技術の実施形態は、空気などの第１の流体を加熱するための複数の手法を含む。本明細書中に記載される実施形態の多くは、圧縮空気を燃料と燃焼させるステップを含み、その燃焼の生成物は、その後、上述の膨張機に流れ込む。燃料は、気体（例えば、天然ガスまたはプロパン、合成ガス）、液体（例えば、ガソリン、ディーゼル燃料またはバンカーオイル）またはさらには固体（例えば、バイオマス／木材、石炭、コークス、木炭）とすることができる。
【００５３】
固体燃料を使用すると、一般に、膨張機表面に堆積する可能性のある灰および他の材料が生じることとなる。一般に、容積形機械は、通常、高速で回転し（したがって、わずかな、堆積物に起因する不均衡を被る可能性がある）かつ（すすで閉塞されることになるおそれがある）冷却チャネルを有する空気式機械よりもこれら堆積物により耐性を有しうる。
【００５４】
いくつかの燃焼技術、特に固体燃料の代替は、別個の空洞内において燃料を燃焼させ、圧縮空気を燃焼生成物から分離する隔壁全体に熱を伝達することである。例えば、石炭発電所のボイラは燃焼ガスからの熱を、作動流体を運ぶ高圧水管に伝達する。同様の手法では、水の代わりに管内部の空気を使用することができる。問題は、材料の制約のせいで圧縮空気に付与される可能性のある最高温度または熱伝達壁のコストである。加えて、そのような温度は、一般に、膨張されることになる同じガスを内部において燃焼させたものから得られるものよりも低い。しかしながら、固体燃料は、気体燃料または液体燃料よりもかなり安価および／またはより入手できることが多く、少なくともいくつかの実施形態において、より低いピーク温度に付随するより低い熱力学的効率の許容可能な引き替えとなる。他の代表的な熱源は、太陽熱または産業上のプロセスからの廃熱を含む。
【００５５】
上に記載した中間冷却プロセスはエンジンの出力効率を増加する。この理由の１つは、それが寄生的な圧縮（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）を低減することである。内燃機関における中間冷却は、一般に、ターボチャージングまたはスーパーチャージングと共に、特定の押しのけ量における動力を増加するための方法として公知である。ターボチャージングおよびスーパーチャージングは、一般に、エンジンの圧力を増加するために、一般的な内燃機関に固有の、不足膨張流の排出における過剰なエネルギを回収するために使用される。つまり、動力を増加するために、この設計がより完全な膨張により回収する追加の動力が使用される。圧縮および膨張が同じシリンダ内で起こる一般的な内燃機関においては、燃焼生成物を、周囲圧力を超えるまで膨張させ、さらなる膨張から追加のエネルギ効率を得ることができる。本開示技術の実施形態のように、圧縮と膨張が異なる容積部内で起こるエンジンにおいては、ターボチャージャーによって消費されるエネルギが膨張機出力から除去され、最大膨張機出力は出口圧力が外部周囲の圧力である場合に起こるため、一般に、ターボチャージングには効率における利点はない。
【００５６】
最終圧縮ステージ、燃焼および膨張が全て同じシリンダ内かつ複雑なタイミングにおいて起こる標準的な内燃機関では、一般に、最後の圧縮ステージ後および燃焼の直前に廃熱を反応物質に提供するための簡単な手法がない。圧縮容積部を燃焼容積部から分離するとシステムが冷却された圧縮空気を予熱することが可能になる。本開示技術のエンジンに、復熱器１５０における復熱を伴う圧縮機１１０における中間冷却を組み合わせることによって、圧縮作業を１５％〜２５％低減することができる。これにより、２５％まで等の大幅なエネルギ効率の増加になる。
【００５７】
圧縮機１１０の第１の圧縮ステージ１１１は、エンジン内を通過する、ヒータ１２０の箇所までの、作動流体としての空気の流量を決定する。本開示技術のエンジンでは、膨張機１３０は、ヒータ１２０内で行われる加熱プロセス後の作動流体の量および流れを増加するために単独で最適化することができる。したがって、膨張機１３０の膨張比はヒータ１２０からの加熱された空気に整合させることができる。これはさらに効率が約２５％増加する原因である。同じく、これは、圧縮、加熱および膨張が全て同じチャンバ内で行われる標準的な内燃機械では管理が困難であるか実現不可能である。
【００５８】
本開示技術のものに幾分類似するターボ機械のためのシステムが提案されている。このようなシステムは、一般に、例えば、航空機のガスタービンエンジンに使用されているような、ロータリーターボ圧縮機とロータリーターボ膨張機との間に配置された燃焼器を含む。そのようなシステムと本技術との間の違いの１つは、本技術の実施形態が個々の量（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｖｏｌｕｍｅｓ）の作動流体が圧縮または膨張される容積形機械を含むことである。対照的に、一般的なガスタービンエンジンのようなターボ機械は連続流式機械（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｆｌｏｗ  ｍａｃｈｉｎｅｓ）である。容積形膨張機／圧縮機は、一般に、単位動力当たりの費用がより安価であり、かつより高い膨張および圧縮プロセス効率を有する。このような機械では間欠的な流れの管理を要するが、この課題には、流れの変化を緩衝するために間隙流れ通路（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  ｆｌｏｗ  ｐａｓｓａｇｅｗａｙｓ）に適した容積を使用することに併せて、前および後のプロセスに対する吸気および排気流周期のタイミングを調整することによって対処している。容積形機械は、一般に、（内燃機関においては一般的なものであるような）より高いピークガス温度に耐えることができるが、これは、膨張機の構成要素がピーク温度と排気温度（およびしばしば同様に、より低温の吸気ステージと圧縮ステージ）との平均にさらされることによるものである。ＰＤＭ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍａｃｈｉｎｅｓ：容積形機械）においては、一般に、断熱材の使用は実施がかなり容易である。このサイクルにおけるＰＤＭ実施の１つの課題は、往復動機械のバルブの冷却およびロータリー式のＰＤＭにおける部品の熱管理に関連する。往復動デバイスの代表的な冷却技術については図９〜１１Ｃを参照して後述する。
【００５９】
以下の例では代表的なタイミング配置を記載する。システムが２つの第２のステージの圧縮機シリンダに供給する６つの第１のステージの圧縮機シリンダを含む場合、第１のステージのシリンダは、シリンダの全てからの吸気および排気を円滑にする互いに６０度の位相ずれで動作するようにクランクシャフト上に配置することができる。２つの第２のステージのシリンダは、シリンダのいずれか一方をほぼ全ての時間（吸気行程がクランク角度の全１８０度であるか否かに応じて）吸気モードにするために互いから１８０度のクランク角度となるようなタイミングとすることができる。これら圧縮シリンダのうちいずれかの出力の時間または角度周期は圧縮比に応じて異なる。つまり、圧力比が１０であれば、排出の周期は圧力比が２である場合よりも短くなる。したがって、圧縮シリンダの排出が短くなると、排出流がない時間周期があってもよい。
【００６０】
ステージ内において同時に動作するシリンダが多くなるほど流れの周期性が円滑になる。さらに、これら間欠的な流れの源とシンクとの間における密閉ガス量を増加すると圧力振動が減少する。圧縮プロセスから膨張プロセスへの流れには復熱器および燃焼器／ヒータ内、その後、高温ガスマニホルド内への噴射を含み、それはその後、膨張シリンダ内の高温ガスバルブ内を流れる。復熱器の容積部および高温ガスマニホルドの容積部はアキュムレータとして動作することができ、第２のステージの圧縮機排出パルスによる圧力振動をヒータ内への流れ、その後、膨張シリンダ内への流れによって平滑にする。
【００６１】
比較的少数の第２のステージの圧縮シリンダはこの例における最小均一流量を形成する。圧力比によっては、排出の継続時間はそれぞれクランク角度のわずか８０度であってもよい。これら２つの８０度周期は１８０度ずれるようにクロック制御することができるが、これにより、クランク角度のうち２００度は依然圧縮プロセスからの流れがないままとなる。上述のように、膨張流は全３６０度にわたり平滑化することができる。または、別の実施形態においては、膨張流は（例えば、カムおよび／またはロータリーバルブの向きにより）均一に分配されず、圧縮機から来る高流量周期の近辺に集中するようなタイミングとすることができる。膨張機の吸気流が第２のステージの圧縮機の排出流と良好に相関するように配置される場合、これにより復熱器および高温ガスマニホルドにおける圧力振動を低減することもできる。この手法の主効果はヒータ内への非定常流を形成することである。つまり、圧力は相当に定常であってもよいが、ヒータを通過する流量は変化する。圧縮機および膨張クランク角度ならびにシリンダ動作タイミング、バルブ開閉タイミング、間隙流れ通路の容積、およびヒータのオリフィスまたはフロー制御特徴を含む利用可能な変数の利点を利用することによって、詳細な設計プロセスによりプロセス全体の種々の段階における幅広い流れの定常性を形成することができる。
【００６２】
往復動機械は吸気弁が適切なサイズであれば非常に高い圧縮／膨張効率を実現することができる。したがって、本技術の実施形態によれば、適切な高温吸気弁と併せた容積形膨張機の選択、または図２のような吸気弁を要しないロータリー膨張機の使用もまた、より高い効率の実現を支持する。流れポートが適切なサイズであり、かつ流れのタイミングが慎重に管理された場合、往復動機械または容積形機械（ＰＤＭ：ｐｏｓｉｔｉｖｅ    ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍａｃｈｉｎｅｓ）は、一般に、ターボ機械と比較して単位当たりの圧縮または膨張に対する損失が少ない。ターボ機械は高い先端速度で動作することが必要であり、これら高速流の境界層において発生した摩擦を除去することは困難である。ターボ機械の先端速度を低下すると単に単位当たりの動力を非常に高額にするだけである。したがって、および上述したように、流れの間欠性が適切に管理される場合、容積形機械はより効率的となりうる。同時に、規模の経済および材料要件の厳しさの緩和のおかげにより、商用の容積形膨張機システムはタービンよりもかなり低い単位原価で入手可能である。
【００６３】
ヒータ１２０を膨張機１３０および圧縮機１１０から隔てると、さらに、ヒータ１２０を選択するときの選択の自由を大幅に増加することが可能になる。例えば、ヒータには、燃焼または非燃焼を含むことができる。ヒータが燃焼を含む場合、燃焼プロセスは連続とすることができる。これは、一般に、間欠燃焼を必要とする典型的な従来技術の内燃機関とは大幅に異なるものである。燃焼を膨張機の容積部の外部において、例えば、連続的な状態で行うことにより、より効率的とすることができ、かつ広範な動力出力レベルにおいて排出を低減することができるより最適な燃焼が可能になる。ヒータ１２０の分離により、燃料の選択における自由も大きくなる。特に、火花点火エンジンの不十分な圧力比という効率を制限する問題、または圧縮点火式天然ガスエンジンにおける燃料噴射および点火の問題を回避しつつ低コストの天然ガスの使用が可能になる。より希薄な燃料混合物または品質が一定しない低品質の燃料の使用も可能になる。その両方ともが今日の内燃機関における特定の問題である。
【００６４】
本技術において用いられる、中間冷却、復熱および膨張を向上させた（例えば、最適化した）結果を組み合わせると、正味効率は同等の高効率の内燃機関において実現可能なものよりも２０％〜５０％高くすることができる。この点において、そのような高効率の内燃機関の正味のエネルギ効率はおよそ３０〜４５％である一方で、本技術はおよそ４５〜６５％のエネルギ効率を実現することができる。以下、表１は、２段中間冷却式圧縮機と、燃焼器と、容積形膨張機と、膨張後の復熱と、を含むエンジンにおいて予想されるサイクル効率を示す。ピーク圧力は一般に膨張機の入口において測定されたものである。断熱および／または再生冷却の有効性は中でも断熱材の厚さおよび効率、冷却流量および温度を含む要素に依存する。さらなる詳細については図９Ａ〜１１Ｂを参照して後述する。一般に、特定の実施形態によって、効率は４０％、４５％、５０％、５５％、６０％または６５％を超えることができる。
2014522938.tif 000003
【００６５】
膨張機の上流側、または他の実施形態では膨張機内において熱を作動流体に提供することができる。したがって、いくつかの実施形態を独立した圧縮機、燃焼器および膨張機という状況で上記したが、少なくともいくつかの実施形態では、圧縮機と膨張機とは独立しているが、燃焼器はいずれか一方に一体化している。燃焼器を膨張機と組み合わせること（例えば、膨張機内の作動流体を燃焼させる）に伴う利点には、別個の燃焼器の必要が排除されること、および／または（圧縮機の必要性を低下するため）より高い圧力が実現されることを含む。膨張機内の燃焼プロセスは最適な形態ある観点（例えば、構成成分の流れ）でないかもしれないが、少なくともいくつかの実施形態においては前述の利点はこれら要素に勝るものとすることができる。膨張機が燃焼器と組み合わされる場合、燃焼を火花点火、圧縮および／または他の点火の形態によって提供することができる。
【００６６】
表１は、燃焼プロセスが圧縮および回収される空気に大きな圧力を加えない、例えば、燃焼プロセスが膨張機の外部で実施される分析を示す。他の実施形態では、燃焼プロセスにより圧力を増加することができる。１つの方法は、上述のように、吸気弁を閉じた後、膨張機内において燃焼プロセスを実施するステップを含む。作動流体が密閉された固定容積部内において加熱される場合、圧力は一般に温度上昇に応じて上昇する。内燃機関はこの効果を有し、この効果の大きさは膨張プロセスの速度に対する燃焼プロセスの速度と相関する。この効果は海洋用途において使用されるような低速ディーゼルエンジンにおいて特に明白である。膨張機を減速することによって、圧力上昇が、空気／流体を機械的に圧縮するのに必要とされる寄生的な仕事なく純粋に加熱プロセスによって提供される。特に往復動機械および異なる程度において他のＰＤＭ機械は、一般に、それらのサイズが増加するにつれて減速される必要があるが、これは構成要素が方向を転換した場合の増加した行程、より高い速度およびより高い加速から生じる物理的限界に起因するものである。動力要件が増加するにつれて押しのけ量も増加するため、最終的に、加速を適正に維持するためには回転速度を低下せねばならない。これは高出力のＰＤＭ機械が一般により低速で動作する理由の１つである。膨張プロセスよりも著しく速く完了する燃焼プロセスから生じる効率の上昇は圧力を増加することになるため、速度を低下せねばならないことに起因する、大型のＰＤＭが単位当たり動力に対してより大きな押しのけ量を要するという全般的な問題に対し、ある程度の経済的な緩和になる。
【００６７】
以下、表２は、本明細書中に開示される技術におけるこの圧力上昇の効果を示す。熱の添加は任意の実質的な膨張が起こる前に完了すると想定する。これは、上述したものと全般的に類似の実施形態によるが、最小排気量近辺において、圧縮された作動流体を化学反応物質（名目上、炭化水素燃料を含む空気）と共に膨張チャンバ内に噴射することによって、および全バルブまたはポートが閉じている間に膨張機内において燃焼を生じさせることによって実現が可能である。この技術にはかなりの熱力学的効率という利点があり、いくつかの用途において価値のある実施形態となることが予想される。
2014522938.tif 000004
【００６８】
図４は、本技術のさらなる態様により構成したエネルギ変換および貯蔵システム４００を示す。システム４００は、図１および図２に示した実施形態に関して上記した同じ要素の多くを含み、全てに図１および図２と同じ符号が付されている。明確にするため、図１および図２の実施形態の種々の要素はエネルギ抽出サブシステム４４０としてまとめられている。全体的なシステム４００は、マルチウェイ案内バルブ４１０と、圧縮された第１の流体を貯蔵圧力までさらに圧縮するように作動的に構成された流体貯蔵圧縮機４２０と、さらに圧縮された第１の流体を貯蔵圧力において貯蔵するための高圧流体貯蔵容積部４３０と、をさらに含む。案内バルブ４１０は半等温圧縮機１１０と復熱器１５０との間の高圧流体ライン４１４内に配置されており、選択的に、（ａ）高圧ライン内を流れる圧縮された第１の流体を準等温圧縮機１１０から復熱器１５０まで高圧ライン４１４に沿って案内する、（ｂ）圧縮された第１の流体を準等温圧縮機１１０から双方向の高圧ライン４１２に沿って高圧流体貯蔵圧縮機４２０まで案内する、または（ｃ）双方向の高圧ライン４１２を通じて到着した、貯蔵された、圧縮された第１の流体を高圧流体貯蔵容積部４３０から、高圧ライン４１４を通じて復熱器１５０に案内するように作動的に構成されている。
【００６９】
案内バルブ４１０を通じて高圧流体貯蔵圧縮機４２０に到着する準等温的に圧縮された第１の流体は流体貯蔵圧縮機４２０によって適切な貯蔵圧力まで圧縮され、双方向の高圧ライン４２５に沿って案内され高圧流体貯蔵容積部４３０内に貯蔵圧力において貯蔵される。貯蔵容積部４３０は、１つまたは複数のタンク、地下空洞および／または１つまたは複数の海面下筐体（ｓｕｂｍａｒｉｎｅ  ｅｎｃｌｏｓｕｒｅｓ）または他の圧縮ガス貯蔵媒体を含むことができる。特定の実施形態では、例えば、圧縮中、流体に付与される熱エネルギの損失を回避するために貯蔵容積部４３０が断熱される。これら実施形態のいずれにおいても、第１の流体を準等温的に圧縮すると他のシステム要素の必要を排除することができる。例えば、そのようなシステムはターボチャージャーの必要を排除することができる一方で、なお、十分な仕事を高効率レベルで生成する。
【００７０】
高圧流体貯蔵容積部４３０内に貯蔵圧力において貯蔵された第１の流体は、エネルギの抽出のためにエネルギ抽出サブシステム４４０内に放出することができる。一実施形態においては、高圧流体貯蔵圧縮機４２０にバイパスバルブ（図示せず）を取り付けることができる。バイパスバルブは貯蔵圧力下にある第１の流体が高圧流体貯蔵圧縮機４２０を越えておよび双方向の高圧ライン４１２に沿ってマルチウェイ案内バルブ４１０まで流れることを可能にする。そのような貯蔵された高圧流体回収条件下において、マルチウェイ案内バルブ４１０は高圧の第１の流体を高圧ライン４１４に沿って復熱器１５０まで案内するように調整される。この時点以降、エネルギ抽出サブシステム４４０内において第１の流体にエネルギ抽出が実施される。エネルギ抽出のプロセスはすでに上記したものと類似するか同一であり、復熱器１５０において流体を予備加熱するステップと、ヒータ１２０内において予備加熱された流体を加熱するステップと、高温吸気弁または適切なロータリー膨張機の１つまたは複数の部材のいずれかの使用により、加熱された第１の流体の、膨張機１３０内への移入を制御するステップと、膨張機１３０内の加熱された、圧縮された第１の流体を膨張させて仕事を実施するステップと、排出流体を膨張機１３０から復熱器１５０に案内するステップと、を含むことができ、排出流体はマルチウェイ案内バルブ４１０からの高圧の第１の流体を予備加熱するために使用される。
【００７１】
本技術の別の実施形態では、流体貯蔵圧縮機４２０は種々の異なる動作モードの間で構成可能である。システム４００はそれが単に圧縮する、単に膨張する、または同時に膨張および圧縮するように動作させることができる。特定の動作モードを電気系統運用者、もしくは追加の動力を特定の時間または条件に提供する、吸収する、または送達するように設計されたアルゴリズムからシステムへの信号に応じて選択することができる。別の実施形態では、使用者がプログラムと無関係に構成を変えるためのリアルタイムコマンドを提供することができる。上記の、その機能の説明は圧縮構成を示すものである。膨張構成では、貯蔵圧力の第１の流体は高圧流体貯蔵タンク４３０から双方向の高圧ライン４２５に沿って流体貯蔵圧縮機４２０に放出され、そこでそれは膨張され、流体貯蔵圧縮機４２０は仕事を実施するために使用される。したがって、貯蔵圧縮機４２０は逆に（例えば、膨張機として）動作することができ、そうすることにより、さらなるエネルギを例えば軸動力の形態で抽出することができる。一実施形態においては、膨張した空気は排出される。これら条件下において、マルチウェイ案内バルブ４１０は、準等温圧縮機１１０およびエネルギ抽出サブシステム４４０を流体貯蔵圧縮機４２０および高圧流体貯蔵容積部４３０を含む流体回路から分離するように使用者が構成することも自動的に動作させることもでき、流体貯蔵圧縮機４２０内のバイパスバルブは閉鎖される。別の実施形態では、貯蔵容積部４３０からの作動流体は（貯蔵圧縮機４２０を通じて）一部のみが膨張され、エネルギ抽出サブシステム４４０に送られるのに十分に高い圧力で高圧ライン４１４を通じて出る。例えば、作動流体は準等温圧縮機１１０を出た後に有しうる圧力とほぼ同じ圧力を有するように貯蔵圧縮機４２０により膨張させることができる。
【００７２】
図５は、本技術のさらなる態様による、エネルギを変換するための方法５００を示す。方法５００は、例えば、準等温圧縮機１１０内において第１の流体を準等温的に圧縮するステップを含むことができる（プロセス部３１０）。プロセス部５１０は、圧縮された第１の流体に、例えば、エネルギ抽出サブシステム４４０内におけるエネルギ抽出（プロセス部５２０）と、例えば、流体貯蔵容積部４３０における高圧貯蔵（プロセス部５３０）とのうち１つを選択的に実施するステップを含む。プロセス部５１０はマルチウェイ案内バルブ４１０によって実施することができる。プロセス部５３０は、準等温圧縮機１１０からの第１の流体を貯蔵圧縮する（例えば、さらに圧縮する）ステップ（プロセス部５４０）と、第１の流体を、例えば、高圧流体貯蔵容積部４３０内に貯蔵圧力において回収するステップ（プロセス部５５０）と、を含むことができる。さらに、復熱器３２２を出た後の排出流体を、例えば、膨張機および／または流体回収／貯蔵システム内または周囲にある熱交換器により作動流体を暖めるために使用することができる。また、圧縮のエネルギは熱エネルギ媒体（例えば、水、固体、またはさらには加熱された空気自体）内に捕捉および貯蔵することができ、その熱は膨張プロセスにおいて利用可能とすることができる。つまり、熱エネルギ貯蔵部を備えた段階的断熱圧縮空気エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ａｉｒ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ）システムを、上述のように、また、加圧空気を高効率で軸動力に変換するより広いエネルギシステムの一部分として使用することができ、全体としてプロセス部５２０と示す。
【００７３】
プロセス部５２０は図１、２および３に関してすでに記載したプロセス、すなわち、圧縮された作動流体を、例えば、復熱器１５０内において予備加熱するステップ（プロセス部３２０）と、圧縮された作動流体を、例えば、ヒータ１２０内において燃料を少なくとも１つの第２の反応物質と反応させることにより加熱するステップ（プロセス部３３０）と、圧縮および加熱された作動流体の、ヒータから膨張機の膨張チャンバ内への移入を制御するステップと、加熱および圧縮された作動流体を膨張機内において膨張させるステップ（プロセス部３４０）と、仕事を生成するために作動流体を膨張させるステップ（プロセス部３５０）と、を含むことができる。
【００７４】
図６は、本技術のさらなる態様による、エネルギを変換するための方法６００を示す。方法６００は、例えば、準等温圧縮機１１０内において第１の流体を準等温的に圧縮するステップ（プロセス部３１０）と、準等温的に圧縮された第１の流体を、例えば、流体貯蔵容積部４３０内に貯蔵圧力において高圧貯蔵するステップ（プロセス部５３０）と、を含むことができる。プロセス部６１０は、圧縮された第１の流体に、（例えば、エネルギ抽出サブシステム４４０内における）エネルギ抽出のプロセス５２０と（例えば、流体貯蔵圧縮機４２０内における）膨張プロセス６２０と、のうち１つを選択的に実施するステップを含む。プロセス部６２０から生じた膨張した流体内に追加のエネルギが残る場合、そこで流体にエネルギ抽出プロセス５２０を実施することができる。例えば、（圧縮熱のものを超える燃焼または他の源による）外部熱の追加なしの段階的断熱ＣＡＥＳシステムを、エネルギ抽出プロセス５２０から独立してまたはそれと連続して動作させることができるが、これは、最終膨張が完全に周囲圧力までであるか、プロセス部５２０の入口圧力までであるかに依拠する。そうでなければ、流体はさらなるエネルギ抽出なく排出することができる。
【００７５】
エネルギ抽出のプロセス５２０は、図１、２および３に関してすでに記載したプロセス、すなわち、圧縮された作動流体を、例えば、復熱器１５０内において予備加熱するステップ（プロセス部３２０）と、燃料を少なくとも１つの第２の反応物質と反応させることにより、圧縮された作動流体を加熱するステップ（プロセス部３３０）と、圧縮および加熱された作動流体の、ヒータから膨張機の膨張チャンバ内への移入を制御するステップ（プロセス部３４０）と、加熱および圧縮された作動流体を膨張機内において膨張させるステップ（プロセス部３５０）と、を含むことができ、予備加熱するステップは、膨張プロセスからの排気作動流体の熱を使用する。
【００７６】
本開示技術に基づく設計では、第２のステージまたは後のステージよりも第１の圧縮ステージにかなり大きな押しのけ容積を一般に必要とする準等温圧縮機１１０に複数の圧縮ステージを組み込むことができ、作動流体の熱および体積膨張ゆえに膨張機１３６は圧縮機１１０よりもかなり大きな押しのけ容積を一般に必要とする。往復動式容積形機械を使用する場合、これらの事項は比較的多数のピストンを意味する。
【００７７】
本技術の特定の実施形態では、商用Ｖ−８ディーゼルエンジンを一部変更したシリンダアセンブリが往復動膨張機１３６として非常に良好に機能する。そのような標準的な商用サブシステムを利用できることは種々の商用実施形態における本技術の実際的な実施において非常に価値のあるものである。１つの例では３つのＶ−８エンジンブロックを使用する。１つのＶ−８ブロックの６つのシリンダが第１の圧縮ステージに使用され、残りの２つのシリンダは第２の圧縮ステージに使用される。他の２つのＶ−８エンジンブロックは１６個の膨張用シリンダを提供する。他の例では、準等温圧縮機よりも膨張機１３６により大きな行程容積を有するブロックを利用するか、２つの圧縮のステージに対して２つの異なるブロックを使用する。
【００７８】
図７は、本開示技術の特定の実施形態により使用するためのエンジンシステム７００の一部の部分概略図である。エンジンシステム７００は、複数のエンジンブロック７０１（第１のエンジンブロック７０１ａおよび第２のエンジンブロック７０１ｂとして示される）を含むことができ、そのそれぞれは、複数のシリンダ７０２（例えば、１つのブロックに８つのシリンダ）を有する。ブロック７０１は、全般的に上記のものに類似するプロセスを実施するように適応させることができ、後付けすることができ、および／または構成することができる既存の自動車用および／または工業用デバイスとすることができる。例えば、シリンダ７０２の１つまたは複数は燃焼（または他の形態の熱添加）の前にガスを圧縮するために使用することができ、他のシリンダ７０２は燃焼されたまたはそうでなければ加熱された空気を膨張させるために使用することができる。異なるシリンダは、例えば、ライナ、ピストンキャップおよび／またはシリンダ容積を低減するための他の要素を追加することによって、ブロック毎のベースまたはシリンダ毎のベースのいずれかにおいて異なる容積を有することができる。したがって、多段式圧縮および／または多段式膨張を容易にするのに同じブロックを使用することができる。
【００７９】
図８は、図７を参照して上記したタイプの特定のブロックの詳細を示す。図８は、したがって、膨張機８００と、中でピストン８４０が往復運動する膨張シリンダ８０２と、を示す。膨張機８００は、高温吸気弁７４０と、排気弁８３０と、を担持するバルブハウジング８１０をさらに含むことができる。セラミックライナ８０５を吸気弁８４０のバルブハウジング８１０の内側に配置することができる。バルブの内部空洞または通路８１５は共通の燃焼器（図８に図示せず）から複数のバルブポート８２０に供給する高温ガスマニホルドとして動作することができる。バルブアセンブリ全体が回転するときに吸気ポート８２５がバルブポート８２０と整列するとシリンダヘッド内の高温ガス吸気ポート８２５がシリンダ内にガスを流す。排気または排出バルブ８３０では同様のポートアライメントおよび断熱の技術または冷却技術を使用することができ、ピストン８４０の動きに対してタイミング制御される。
【００８０】
他の実施形態では、バルブの選択した要素をエンジン冷却剤または適切な冷却剤である未燃焼の空気を用いて冷却することができる。他の実施形態では、耐火金属またはセラミックスなどの高温性能を有する材料を用いることができる。なおさらなる実施形態では、前述の特徴を組み合わせることができる。これら課題は既存の内燃機関の排気バルブ調節において周知であるが、本技術では、すでに記載したかなり高い温度でのシリンダへの入力を必要とする。
【００８１】
内燃機関に使用される従来のエンジンブロックとは異なり、図７および図８に示されるシリンダ内において燃焼は起こらない。その代わりに、シリンダは圧縮および／または膨張のために使用され、燃焼は別個の容積部内において起こる。適切な燃焼器のさらなる詳細ならびにバルブの詳細については以下に図９Ｂおよび図９Ｃを参照して記載する。
【００８２】
図９Ａは、本技術の一実施形態により構成したシステム９００の構成要素の部分概略部分切開図である。この実施形態の特定の態様では、システム９００は、図７および図８を参照して上記したものに全般的に類似するエンジンブロックを含むことができる。他の実施形態では、以下に記載されるシステムを他の状況において実施することができる。これら実施形態のいずれにおいても、システム９００は、燃焼生成物またはそうでなければ加熱された流れを受容し、この流れを膨張させることによってこの流れからエネルギを抽出し、軸動力を生成する、複数のシリンダ９０２を有する膨張機９１０を含むことができる。全体的なエンジンシステム９００は、膨張時シリンダに出入りする流れを制御するためのバルブシステム９２０を含む。バルブシステム９２０は燃焼生成物を非常に高温で受け取ることから、特に、総合効率を過度に犠牲にすることなくそのような温度を供給するように構成することができ、かつ動作することができる。そのような機能を実施するための特定の実施形態の詳細についてはさらに以下に記載する。
【００８３】
図９Ａに示すように、バルブシステム９２０は、シリンダ９０２の列または他の配置の上に配置され、かつ吸気弁要素９２２ａおよび排気弁要素９２２ｂなどの複数のバルブ要素９２２を含むことができるバルブハウジングまたは弁箱９２１を含むことができる。吸気弁要素９２２ａは、シリンダ９０２内への高温燃焼生成物の流れを制御し、排気弁要素９２２ｂは、シリンダ９０２を出る膨張および冷却されたガスの流れを制御する。したがって、吸気弁要素９２２ａはバルブ吸気ポート９２３を含むことができ、排気弁要素９２２ｂはバルブ排気ポート９２４を含むことができる。両バルブ９２２は回転を容易にするために略円筒形を有することができる。バルブ９２２が回転する（矢印Ｒによって示される）と、バルブのポートは、シリンダの対応するポートと整列してシリンダ９０２に出入りする流れを促進または制限する。この部分が異なる回転位置に移動すると、バルブ９２２はシリンダ９０２に出入りする流れを妨げる。
【００８４】
バルブ要素９２２のそれぞれは、バルブを通過するガスの高温からバルブ要素を保護するための断熱材９２６を含むことができる。断熱材９２６は、中心環状流れ通路９２５に隣接して配置することができ、それを通じてガスがシリンダ９０２に出入りする経路に送られる。一般に、吸気弁要素９２２ａは排気弁要素９２２ｂよりも高温になるため、追加の断熱材および／またはさらに以下に記載されるような能動的な冷却機能などの他の冷却機能を含むことができる。
【００８５】
図９Ａに示される一実施形態では、吸気弁要素９２２ａの断熱材９２６は、第１のライナ９２７ａおよび第２のライナ９２７ｂとして示される２つのライナ９２７の形態である。ライナ９２７はセラミックまたは他の適切な高温材料から形成することができる。第１のライナ９２７ａは第２のライナ９２７ｂから外側に向かって環状に配置されており、第２のライナ９２７ｂは中心流れ通路９２５の内部表面を形成することができる。第１のライナ９２７ａは第１の冷却通路９２８ａを含み、第２のライナ９２７ｂは第２の冷却通路９２８ｂを含む。冷却流体（例えば、空気などの気体または水などの液体）の流れは、矢印Ａによって示されるように第１の冷却通路９２８ａ内を通過し、その後、矢印Ｂによって示されるように第２の冷却通路９２８ｂ内を戻り、矢印Ｃによって示されるように中心通路９２５内に送られる燃焼生成物と混合される。したがって、冷却流は、加熱されると燃焼生成物と共に膨張され、全体的なシステム９００から追加の仕事を抽出する。
【００８６】
排気弁要素９２２ｂは、冷却通路のない単一層の断熱材９２６などの、吸気弁要素９２２ａのものよりも簡単な配置を有することができる。他の実施形態では、排気弁要素９２２ｂは、それを通過するガスの温度によって、能動的な冷却通路および／または他の冷却配置を含むことができる。
【００８７】
図９Ｂは、燃焼器９４０と流体連通して配置された、図９Ａを参照して上記したものに全般的に類似する吸気弁要素９２２ａの一実施形態の部分概略切開図である。燃焼器９４０は、燃焼器入口９４５と、燃焼器出口９４６と、を含む。燃焼器入口９４５は反応物質を燃焼器９４０に提供する燃焼器吸気マニホルド９４１に結合されている。燃焼器吸気マニホルド９４１は、圧縮空気入口９４２と、燃料入口９４３と、火花源などの点火源９４４と、火炎保持器および／または燃焼器９４０内の燃焼反応を開始、制御および／または維持するための、および／または、例えば、ＮＯｘまたはＣＯなどの種の生成を制御することによって燃焼生成物の組成を最適化または強化するための他の適切なデバイスと、を含むことができる。燃焼生成物は、その後、矢印Ｃによって示されるように燃焼出口９４６から吸気弁要素９２２ａに案内される。
【００８８】
中に吸気弁要素９２２ａが配置されるバルブハウジング９２１は、圧縮空気または別の冷却剤を第１のライナ９２７ａの第１の流れ通路に案内する１つまたは複数の冷却流導入器９２９（図９Ｂでは３つが見える）を含むことができる。冷却流導入器（複数）９２９は圧縮空気入口９４２と同じ圧縮空気源に結合することも、別の圧縮空気源に連結することもできる。いずれの実施形態においても、冷却流導入器９２９によって提供される圧縮空気は中心流れ通路９２５内に案内される燃焼流生成物よりも極めて低温である。
【００８９】
図９Ｃは、図９Ｂを参照して上記したシステム９００の一部分の拡大図である。図９Ｃに示すように、環状流れ通路９２５の主軸を中心とした回転のために軸受９３０が吸気弁要素９２２ａを支持している。冷却流導入器９２９は第１の冷却通路９２８ａと半径方向に整列している。図９Ｃに示される一実施形態では、第１のバルブ要素９２２ａが回転するとき、冷却流導入器９２９は対応する第１の冷却通路９２８と間欠的に整列する。他の実施形態では、１つの冷却流導入器９２９（例えば、３６０°マニホルド）が冷却流を連続的に提供することができる。前述の実施形態のいずれかにおいては、冷却流は矢印Ａによって示されるように第１の冷却通路９２８ａに入り、燃焼器出口９４６に近接する領域に第２の冷却通路９２８ｂを通じて戻る。冷却流が第１の冷却通路９２８ａから第２の冷却通路９２８ｂに方向を変える配置のさらなる詳細については図９Ｄを参照してさらに以下に記載する。
【００９０】
図９Ｄは、図９Ｃに示される燃焼器出口９４６から遠位に配置された膨張機９１０の一部分を示す。この領域において、第１のバルブ要素９２２ａは、中心流れ通路９２５の境界を形成するバルブ端部壁９３２を含む。環状戻り通路９３１を端部壁９３２に隣接して配置することができる。冷却流は、第１の冷却通路９２８ａの露出した端部から出て、戻り通路９３１内に送られ、その後、第２の冷却通路９２８ｂ内に送られる。図９Ｃを参照して上記したように、冷却流は、その後、燃焼器出口に近接する燃焼生成物流Ｃと混合される。
【００９１】
膨張機の特定の実施形態を、ロータリーバルブシステムを含む図９Ａ〜９Ｄの状況において上記した。他の実施形態では、膨張機は、他の構成を有するバルブシステムを含むことができる。例えば、バルブシステムはポペット弁を含むことができる。図１０Ａ〜１０Ｄは、本技術の特定の実施形態により構成した代表的な冷却されるポペット弁配置を示す。
【００９２】
まず図１０Ａを参照すると、ポペット弁システム１０２０はポペット弁１０２２を担持するバルブハウジング１０２１を含む。ポペット弁１０２２は、燃焼生成物Ｃの流れが下のシリンダ内に入ることを可能にするまたは防止するために、例えば、従来の自動車用エンジンのものと全般的に類似する手法で上下に往復運動する。ポペット弁１０２２は、バルブハウジング１０２１によって支持される導入器１０２９から冷却流を受け取る内部冷却通路１０２８を含むことができる。図１０Ａに示される特定の実施形態においては、内部冷却通路１０２８は比較的小さな通路出口１０３３ａを有することができる。
【００９３】
図１０Ｂに示される一実施形態では、内部冷却通路１０２８は、ポペット弁１０２２の端部にさらなる冷却を提供することができるフレア式通路出口１０３３ｂを含むことができる。図１０Ｃに示される別の配置では、ポペット弁１０２２は、複数の通路出口１０３３ｃを有する複数の流れ通路１０２８を含む。
【００９４】
図１０Ｄに示されるさらに別の実施形態では、ポペット弁１０２２は内部冷却通路を含まない。その代わり、導入器１０２９はポペット弁１０２２の外部表面の周囲に外部冷却フィルムＤを案内する。他の実施形態では、外部冷却フィルムＤは、図１０Ａ〜１０Ｃを参照して上記した構成のいずれかを有する内部冷却通路を補完することができる。
【００９５】
少なくともいくつかの実施形態では、システムの総合効率を増加するために、および／または局所温度を材料の限界内に維持するために全体的なエンジンシステムの他の要素を冷却することができる。例えば、図１１Ａは、膨張シリンダ１１０２および対応するピストンを上から見た図である。図１１Ｂは、実質的に図１１Ａの線１１Ｂ−１１Ｂに沿って切った、図１１Ａに示されるシリンダおよびピストンの部分概略断面図である。まず図１１Ａを参照すると、シリンダ１１０２は、シリンダ壁１１０３と、壁１１０３から半径方向内側に配置された断熱ライナ１１０４と、を含む。ピストン（図１１Ａでは見えない）は、ライナ１１０４から半径方向内側に配置されたピストンキャップ１１０７を含む。ピストンキャップ１１０７は、ライナ１１０４から間隙１１０８によって分離される。ピストンキャップ１１０７は、下にあるピストンをシリンダ１１０２内の高温から保護するために、および／または膨張する流体の温度損失を低減するために、断熱材料で形成することができる。ピストンキャップ１１０７および全体的なシステムの他の断熱要素に適した材料には、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックスおよび／またはこれら材料の合金を含む。
【００９６】
ピストンおよびシリンダ１１０２をさらに保護するため、シリンダ壁１１０３は流れ噴射用通路１１２９を含むことができる。流れ噴射用通路１１２９は、冷却流を周囲分配チャネル１１０９ａに案内し、周囲分配チャネル１１０９ａは、さらには、図１１Ａの面から内方に延びる１つまたは複数の軸方向分配チャネル１１０９ｂに冷却流を案内する。一実施形態においては、周囲分配チャネル１１０９ａはシリンダ壁１１０３内に形成され、軸方向分配チャネル１１０９ｂはライナ１１０４内に形成される。他の実施形態では、これら周囲分配チャネル１１０９ａと軸方向分配チャネル１１０９ｂの相対位置を逆にすることも、両タイプのチャネルをライナ１１０４またはシリンダ壁１１０３のいずれかによって支持することもできる。
【００９７】
ここで図１１Ｂを参照すると、ピストンキャップ１１０７はピストン１１０５上に配置されており、ピストン１１０５は、さらに、クランク１１０６に結合されている。動作時、冷却流が流れ噴射用通路１１２９内に案内され、周囲分配チャネル１１０９ａ（図１１Ａ）を通じてシリンダ１１０２の周りを周方向に通過し、軸方向分配チャネル１１０９ｂ（その１つは図１１Ｂに見られる）を通じてライナ１１０４とシリンダ壁１１０３との間の境界面を下方向に通過する。冷却流は、その後、ピストンキャップ１１０７とライナ１１０４との間の間隙１１０８内を上方向に通過することができる。
【００９８】
一実施形態においては、ピストン１１０５の下降行程の間のみ冷却流をシリンダ１１０２内に案内することができる。この動作は、流れ噴射用通路１１２９に結合されたバルブによってまたはピストン１１０５によって制御することができる。例えば、ピストン１１０５がシリンダ１１０２内において上昇すると、それが生成する追加の圧力により、さらなる冷却流が流れ噴射用通路１１２９を通じて入ることを防止することができる。いずれの実施形態においても、シリンダ１１０２は、また、冷却流の少なくとも一部がピストンキャップ１１０７上方の排気流と混合されることなくシリンダ１１０２を出ることを可能にする排出ポート１１３５を含むことができる。この排出された冷却流は、その後、排出された冷却流の温度および圧力に依拠して、復熱器、燃焼器および／またはシステムの他の要素に案内することができる。排出された冷却流は直接混合もしくは壁または他の表面を通じた熱伝達によって熱を伝達することができる。
【００９９】
図１１Ｃは、バルブハウジング１１２１がシリンダ１１０２上方に配置された、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して上記したシリンダ１１０２の部分概略断面図である。バルブハウジング１１２１は、吸気弁要素１１２２ａおよび排気弁要素１１２２ｂを含むことができ、そのそれぞれは中心通路１１２５を有する。図１１Ｃでは、バルブポートおよび対応するシリンダポートは見えない。バルブ要素１１２２ａ、１１２２ｂはブロックまたは他の断熱材１１３４の体積によって少なくとも部分的に取り囲むことができる。バルブハウジング１１２１は、冷却流を１つまたは複数の対応する冷却通路１１２８内に案内するバルブ流れ噴射用通路１１２９ａを含むことができる。冷却通路１１２８は、断熱材１１３４とバルブハウジング１１２１との間の境界面を冷却する。冷却流は１つまたは複数の冷却流出口ポート１１３５ａを通じてバルブハウジング１１２１を出る。上述のように、排出される冷却流体の圧力および温度によって、排出された冷却流は他のシステム要素（例えば、復熱器または燃焼器）により再利用することができる。特定の実施形態においては、図１１Ａ〜１１Ｂを参照して上記した手法でシリンダの冷却を行うためにバルブハウジング１１２１から出る冷却流の方向を転換することができる。
【０１００】
上記の再生冷却実施形態は、高温ガス成分から熱を取り込み、その熱をシステムに戻すことができ、例えば、熱を作動流体に戻すことができる。再生冷却が効果的に実施された場合、デバイス（例えば膨張機）の外側を断熱するとシステムの熱損失をさらに低減することができる。一般に、そのような断熱は、再生冷却がシステムの断熱部分をそうでなければ許容可能であったはずの温度に維持するほど十分であるか、内部または外部生産プロセス（例えば、コージェネレーション／空間暖房）に冷却機構が使用されるかのいずれかの場合にのみ有益である。回収された熱が有用な目的を有する場合、外部断熱は有益であることが多い。そうでない場合、受動的な対流冷却が許容可能なシステム温度の維持を助けるための安価な手法であることが多い。同様の分析を圧縮機にも適用することができる。回収された熱が使用されることになる場合、圧縮機を断熱することができ、より多くの熱の回収を可能にする。しかしながら、圧縮機においては、機械による熱損失が実際には圧縮プロセスをより効率的にする。これは、ガスが低温になるほど濃度が高くなるため、圧縮に要する仕事が減少することが理由である。したがって、圧縮機は作動流体から熱を抽出するように設計することができるが、これは、失われた熱が動力出力の低減につながる膨張機とは逆である。熱を回収することができ、かつ有用な機能を有する場合、断熱材は有益である。そうでなければ、通常、圧縮機を可能な限り低温で、および膨張機を可能な限り高温で運転することが望ましい。
【０１０１】
上記のシステムのいくつかの実施形態を往復動式容積形機械という状況で記載した。他の実施形態では、全体的なシステムは回転式容積形機械を含むことができる。例えば、図１２Ａは、本開示の一実施形態により構成された一体型の熱交換器１２５８ａを有する回転式容積形デバイス１２０５ａの部分概略等角図である。システム１２０５ａは容積形機械であり、１つの方向に回転させることによって膨張機として動作させることができ、反対方向に回転させることによって圧縮機として動作させることができる。したがって、上記のシステムのいずれかを形成するために２つのそのようなデバイスを燃焼器と共に使用することができる。１つのそのようなデバイスは、図４を参照して上記した流体貯蔵圧縮機４２０として動作することができる。適切な回転式圧縮機／膨張機のさらなる詳細については、上で参照によって本明細書中に組み込んだ同時係属中の米国特許出願第１３／０３８，３４５号明細書に記載されている。
【０１０２】
デバイス１２０５ａは、内壁１２２０と外壁１２２２とを有するチャンバハウジング１２１８（例えば、圧縮チャンバおよび／または膨張チャンバ）と、圧力調整チャンバ１２２４と、軸１２３４に回転自在に結合されたロータ１２３２と、第１の通路１２１４および第２の通路１２１６と、チャンバ１２２４と個々の通路１２１４、１２１６との間に流体連通を提供する、チャンバ１２２４内の第１のポート１２２６および第２のポート１２２８と、を含むことができる。熱交換器１２５８ａはチャンバハウジング１２１８および通路１２１４、１２１６の半径方向外側に配置されている。回転式容積形デバイス１２０５ａが圧縮機として動作する場合、熱交換器１２５８ａはインタークーラとして動作することができる。熱交換器１２５８ａは、加熱または冷却された熱交換器流体を運ぶ１つまたは複数の熱交換器用供給管１２５９を含む。示される実施形態では、熱交換器１２５８ａはチャンバハウジング１２１８の一部を取り囲み、かつ圧力調整チャンバ１２２４からの作動流体と流体連通している。具体的には、第２のポート１２２８を通じてチャンバ１２２４を出る作動流体は半径方向外側に向かって矢印Ｆ１の方向に第２の通路１２１６を通じて流れ、熱交換器通路１２５６に入り熱交換器１２５８ａと接触する。作動流体は供給管１２５９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。
【０１０３】
システムは、内部表面１２５２と外部表面１２５４とを有する外部ハウジング１２５０（その一部を図１２Ａに示す）をさらに含む。外部ハウジング１２５０は、チャンバハウジング１２１８と、圧力調整チャンバ１２２４と、通路１２１４、１２１６と、熱交換器１２５８ａと、を少なくとも部分的に取り囲むおよび／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１２５８ａを通過する加圧された作動流体が、作動流体を収容するための圧力コンテナとして機能する外部ハウジング１２５０の内部表面１２５２に接触する。外部ハウジング１２５０の内部を圧力コンテナとして使用すると、圧力調整チャンバ１２２４と、ポート１２２６、１２２８と、通路１２１４、１２１６と、熱交換器１２５８ａとの間、および多段式システムにおける１つのステージと次のステージとの間のいくつかの配管および通路の必要が排除される。
【０１０４】
図１２Ａに示される熱交換器１２５８ａはフィンチューブ熱交換器である。他の実施形態は、シェルアンドチューブ式熱交換器、プレート熱交換器、ガス−ガス熱交換器、直接接触熱交換器、流体熱交換器、相変化熱交換器、廃熱回収ユニットまたは他の種類の熱交換器などの他の種類の熱交換器を含むことができる。
【０１０５】
熱交換器流体は、真水、海水、蒸気、冷却剤、オイルまたは他の適切な気液（ｇａｓｅｏｕｓ  ｌｉｑｕｉｄ）および／または二相の流体を含むことができる。熱交換器１２５８ａは双方向の圧縮機／膨張機を支持するために圧縮モードおよび膨張モードの両方において動作することができ、流れがチャンバ１２２４に入る前または後に圧縮／膨張された流れと相互に作用してもよい。いくつかの実施形態では、熱交換器流体は（デバイスが圧縮および膨張の両方に使用される場合）デバイスの圧縮動作モードおよび膨張動作モードの両方において同じであるが、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、圧縮モードにおける動作中に加熱される熱交換器流体は膨張ステージにおける動作中における使用のために、例えば、外部熱リザーバ内に貯蔵することができる。熱交換器１２５８ａは、金属材料、セラミックスまたはプラスチックを含むいくつかの適切な材料または材料の組み合わせから作製することができる。いくつかの実施形態では、熱交換器は多様な熱交換流体の使用を可能にするために少なくとも部分的に耐腐食性材料（例えば、銅、キュプロニッケル、チタン、ステンレス鋼およびその他）で作製される。
【０１０６】
以下に図１２Ｂを参照してさらに詳細に説明するように、複数の圧力調整チャンバ１２２４（例えば、ステージ）は流体的に連結することができ、かつ連続で動作することができる。いくつかの多段式の実施形態では、ラジアル型熱交換器（ｒａｄｉａｌ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）１２５８ａは複数のチャンバハウジング１２１８の外壁１２２２に沿って軸方向に延びる。そのような一実施形態においては、圧縮／膨張された作動流体は第１のステージの第１のポート１２２８から半径方向外側に向かって移動し（矢印Ｆ１によって示されるように）、熱交換器１２５８ａの軸方向に沿って熱交換器１２５８ａ内に入り、その後、半径方向内側に移動し、第２の圧力調整チャンバ（図示せず）の第２のポートに入る。システムが圧縮モードにおいて動作する場合、作動流体はステージ間において冷却することができる。システムが膨張モードにおいて動作する場合、作動流体はステージ間において加熱することができる。ステージ間の加熱および冷却は、デバイス１２０５ａおよび全体的なシステムの動作効率を失わせるおそれのあるステージ間における温度変化を低減する（例えば最小にする）ことができる。作動流体をチャンバハウジング１２１８から半径方向外側に向かって通路１２１４、１２１６内に案内することによって、システムはステージ間における圧力振動を低減することができ、かなりの熱交換器長さを可能にする。
【０１０７】
図１２Ｂは、本開示の別の実施形態による複数の一体型の熱交換器１２５８ｂを有する多段式回転式容積形デバイス１２０５ｂの部分概略等角側面図である。デバイス１２０５ｂは、軸１２３４に沿って軸方向に整列した複数のステージ（ステージ１２７２〜１２７５と個々に番号を付す）を含む。明確にするため、軸１２３４によって支持されるロータは図１２Ｂにおいて図示しない。各ステージは、第１のポート１２２６および第２のポート１２２８を有するチャンバハウジング１２１８と、第１の通路１２１４と、第２の通路１２１６と、を含むことができる。各ステージ１２７２〜１２７５は、さらに、対応するチャンバハウジング１２１８に軸方向に隣接して配置された１つまたは複数の隔壁１２６２を含むことができる。
【０１０８】
デバイス１２０５ｂは、圧縮／膨張ステージ１２７２〜１２７５の間に軸方向に整列した複数のアキシャル型熱交換器１２５８ｂをさらに含む。熱交換器１２５８ｂは第１の通路１２１４および／または第２の通路１２１６において作動流体と流体連通している。具体的には、作動流体は１つのステージから次のステージに移動するが、膨張では矢印Ｆ２の方向に、または圧縮では反対方向に移動する。例えば、作動流体は、第１のステージ１２７２を対応する第２のポート１２２８を通じて出ることができ、その後、軸方向に隣接する熱交換器１２５８ｂ内に軸方向に流れる。作動流体は、その後、隣接するステージ１２７３の第１のポート１２２６に入る。作動流体が図１２Ｂの右から左に移動するにつれてこのプロセスは繰り返される。いくつかの実施形態では、作動流体は第２の通路１２１６から熱交換器１２５８ｂ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１２６２内の１つまたは複数の孔内を横断し、その後、隣接する熱交換器１２５８ｂ内に入る。作動流体は熱交換器１２５８ｂ内の熱エネルギを伝達し、引き続き軸方向に進み、隣接する第２のステージ１２７３の第１の通路１２１４および第１のポート１２２６に入る。連続的なステージの第１のポート１２２６および第２のポート１２２８は作動流体をデバイス１２０５ｂ内により良好に案内するために互いに対して時計回りまたは反時計回りにオフセットしてもよい。
【０１０９】
図１２Ａを参照して上述したラジアル型熱交換器１２５８ａと同様に、アキシャル型熱交換器１２５８ｂは、双方向の圧縮機／膨張機を支持するために圧縮モードおよび膨張モードの両方において動作することができる。上記のいずれのタイプの熱交換器および熱交換器流体をアキシャル型熱交換器１２５８ｂにおいても使用することができる。３つの熱交換器１２５８ｂおよび４つの圧縮／膨張ステージ１２７２〜１２７５を図１２Ｂに示すが、他の実施形態はより多数またはより少数のステージおよび／または熱交換器１２５８ｂを含むことができ、ステージ１２７２〜１２７５および熱交換器１２５８ｂの配置は変更することができる。例えば、一体型の熱交換器を有しないシステムにおいて多段式設計を使用することができる。さらに、圧縮／膨張ステージ１２７２〜１２７５および熱交換器の軸方向長さはシステム１２０５ｂ内において変更することができる。ステージ毎に作動流体の濃度が変化することから、例えば、１つのステージから次のステージにおいて全般的に一定の圧力比を維持するために異なる軸方向長さを使用することができる。
【０１１０】
上記のエネルギシステムのいくつかの実施形態の１つの特徴は、運搬する状況における使用のために、および／または１つの場所から他の場所に移動するためにそれらを比較的小型かつ可搬式に作製することができることである。図１３Ａ〜１３Ｄを参照して以下に記載する特定の実施形態ではエンジンシステムをコンテナ内に収容することができる。例えば、図１３Ａに始まり、本技術の一実施形態により構成されたエンジンシステム１３００はコンテナ１３５０内に収容されている。コンテナ１３５０は既存のコンテナ取り扱いデバイスに合うように標準的なサイズおよび形態を有することができる。
【０１１１】
図１３Ｂは、図１３Ａに示されるエンジンシステム１３００の部分概略図である。エンジンシステム１３００は図１〜１２を参照して上記したいずれの構成要素も含むことができ、そのいくつかが図１３Ｂに見られる。これらは、圧縮機１３６０と、膨張機１３１０と、制御部１３７０と、を含む。燃料および空気が燃料タンク１３８２および空気タンク１３８１それぞれを通じて燃焼器に供給される（図１３Ｂには見えない）。他の実施形態では、燃料および空気を収容するために他の貯蔵容積部１３８０を使用することができる。
【０１１２】
図１３Ｃは、貯蔵容積部１３８０、例えば、燃料および／または空気のための複数積み重ね式タンク（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｓｔａｃｋｅｄ  ｔａｎｋｓ）のみを含むコンテナ１３５０を示す。したがって、エンジンシステム１３００は、燃料および／または空気貯蔵専用のコンテナと、エンジンシステム構成要素（例えば、圧縮機、膨張機および／または燃焼器）専用のコンテナおよび／またはエンジンシステム構成要素および貯蔵能の両方を有するコンテナと、を含むことができる。
【０１１３】
図１３Ｄは、上記のタイプの１つまたは複数のエンジンシステム１３００を含む複数積み重ね式コンテナ１３５０を有する鉄道車両を示す。一実施形態において、鉄道車両１３８３はコンテナ１３５０を１つの場所から別の場所に単に運搬することができる。別の実施形態では、従来のディーゼルエンジンまたはディーゼル電気機関車エンジンによって提供される動力の代わりに、またはそれに加えて、鉄道車両１３８３を機関車の後ろに直接結合することができ、機関車に動力を提供することができる。
【０１１４】
図１４Ａ〜１４Ｃは、上記したタイプのエンジンシステムの予想性能パラメータを従来のエネルギシステムのものと比較したグラフである。図１４Ａは、本技術の一実施形態により構成されたシステム（線１４００によって示される）のエネルギ貯蔵量に応じた送達エネルギのコストと、他のシステムのエネルギ貯蔵量に応じた送達エネルギのコストとを比較したものである。特に、線１４００は、容積形中間冷却式圧縮機と、燃焼器と、圧縮機とは異なる容積形膨張機と、膨張機排気から圧縮機流出物に熱を伝達するために配置された復熱器と、を有するエンジンシステムに相当する。もう一方のシステムは電池システム、特に、ナトリウム硫黄電池（線１４０１によって示される）、リチウムイオン電池（線１４０２によって示される）およびフロー電池（線１４０３によって示される）を含む。これら予測が示すように、上に開示したタイプのエネルギシステムの予想性能パラメータは既存の電池システムのものよりも極めて良好とされうる。
【０１１５】
図１４Ｂは、本開示のエンジンシステムの予想性能パラメータを既存の非電池式システムのものと比較したものである。特に、線１４００は、再度、上記のタイプのエンジンシステムの貯蔵量に応じて予想される送達エネルギのコストを、作動液／空気システム（線１４１１）、ポンプ式（例えば、再循環式）水力発電（線１４１２）、従来の地質学的圧縮空気エネルギ貯蔵（線１４１３）、空気圧縮および膨張を伴うが燃焼は伴わない環状の容積形機械（線１４１４）および冷媒式の閉ループエネルギ変換システム（線１４１５）と比較したものを示す。
【０１１６】
図１４Ｃは、電力を電力網に供給する他の技術と比較した本技術の設備利用率（例えば、１年のうちの一部）に応じたエネルギのコストを示すグラフである。線１４００は、再度、本技術によるシステムの予想性能を示す一方、線１４２１は、固体酸化物形燃料電池により提供される商用電源を示す。他の大規模商用電源供給物は、ガスタービン（線１４２２）、天然ガス内燃発電セット（線１４２３）、洗浄済み石炭の燃焼（線１４２４）、先進タービン（線１４２５）および改良型コンバインドサイクル発電エンジン（線１４２６）を含む。図１４Ｃに示すように、（ステージ間冷却を伴う）圧縮機と、燃焼器と、（例えば、高温対応バルブを備えた）膨張機と、熱交換器と、を含む本技術の実施形態は既存のエネルギ送達システムに一貫して性能で勝ることができる。
【０１１７】
前述から、本技術の特定の実施形態を説明の目的で本明細書中に記載したが、その種々の変更形態を本技術から逸脱することなく作製してもよいことが理解されよう。例えば、前述の記載では、圧縮機、膨張機、燃焼器、ならびに対応するバルブ調節システムおよび他のシステムの特定の実施形態を示した。他の実施形態では、開示されるシステムに加えてまたはその代わりに上記と全般的に同じ機能を実施する他のデバイス、システムおよび／またはサブシステムを使用することができる。いくつかの実施形態を膨張機から排気エネルギを捕捉するための復熱器という状況において上記した。他の実施形態では、システムは、他の種類の排気エネルギ回収デバイスを含むことができる。システムのいくつかの実施形態を燃焼ヒータという状況において記載した。他の実施形態では、ヒータは他の適切な構成を有することができる。
【０１１８】
前述のシステムの実施形態は種々の適切なより大型のシステムのいずれに組み込むことができる。例えば、前述のシステムは運搬および／または定置型用途のための動力を提供するために使用されうる。定置型の用途に使用される場合、システムは独立型動力（ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ  ｐｏｗｅｒ）を提供することも、電力網、例えば、地域、全国または国際電力系統網に接続することもできる。
【０１１９】
特定の実施形態の状況で記載される本技術の特定の態様は、他の実施形態では、組み合わせても除外してもよい。例えば、いくつかのシステムは高温バルブのない中間冷却式圧縮機を含むことができる。他のシステムは、中間冷却式圧縮機のない高温バルブを含むことができる。全体的なシステムは本明細書中に記載される要素の任意の適切な組み合わせを含むことができる。例えば、圧縮機は往復動デバイスとすることができ、膨張機は回転式デバイスとすることができ、これを逆にすることもできる。貯蔵圧縮機が組み込まれる場合、貯蔵圧縮機は回転式圧縮機とすることができる一方で、一次圧縮機は往復動圧縮機であり、これを逆にすることもできる。膨張機に高温ロータリーバルブシステムを使用することができ、圧縮機にポペット弁システムを使用することができる。場合によっては、圧縮機温度は能動的に冷却されるバルブの使用を是とするほど十分に高くてもよい。そのような実施形態では、圧縮機は、また、前述の高温バルブ配置のいずれを含むこともできる。
【０１２０】
本開示技術の特定の実施形態に関連する利点をそれら実施形態の状況において記載したが、他の実施形態もまたそのような利点を呈してもよく、必ずしも全ての実施形態が本技術の範囲内に含まれるためにそのような利点を呈する必要はない。したがって、本開示および関連する技術は本明細書中に明記されても示されてもいない他の実施形態を含むことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【国際調査報告】
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