(57)【要約】  再生冷却システム（１００）が再生熱機関（１）のために提供され、ガスエキスパンダ（７８）を取り囲む冷却チャンバ（７９）であって、上記チャンバ（７９）と上記エキスパンダ（７８）との間のガス循環空間（８０）を開放したままにしておく冷却チャンバ（７９）を備え、作動ガス（８１）がガスエキスパンダ（７８）から排出され上記空間（８０）を循環したあと再生熱交換器（５）に戻りそこで冷却され、上記ガス（８１）の熱の大部分は再生熱機関（１）の熱力学的サイクルに再導入される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生熱機関（１）用に設計された再生冷却システム（１００）であって、前記再生熱機関（１）は、高圧再生ダクト（６）を有する少なくとも１つの再生熱交換器（５）を備え、前記高圧再生ダクト（６）内を、圧縮機（２）によって予め圧縮された作動ガス（８１）が、そこで予め加熱されるように循環し、一方、前記ダクト（６）の出口で前記ガス（８１）は熱源（１２）によって過熱され、その後ガスエキスパンダ（７８）に導入され、そこで動力出力シャフト（１７）上で仕事を実行するために膨張され、前記ガス（８１）は次に前記ガスエキスパンダ（７８）の出口で排出され、前記再生熱交換器（５）の低圧再生ダクト（７）へ導入され、前記ガス（８１）は、前記ダクト（７）内を循環することによって、その残留熱の大部分を前記高圧再生ダクト（６）内を循環する前記作動ガス（８１）に引き渡し、前記システム（１００）は、
・前記ガスエキスパンダ（７８）および／または前記熱源（１２）および／または前記熱源（１２）を前記エキスパンダ（７８）に接続する高温ガス取り入れダクト（１９）を全体的または部分的に取り囲む少なくとも１つの冷却チャンバ（７９）であって、一方で前記チャンバ（７９）および／または他方で前記エキスパンダ（７８）および／または前記熱源（１２）および／または前記ダクト（１９）の間のガス循環空間（８０）を開放したままにしておく少なくとも１つの冷却チャンバ（７９）と、
・前記ガスエキスパンダ（７８）の出口に直接または間接的に接続され、それによって前記エキスパンダ（７８）から前記出口を介して排出された前記作動ガス（８１）の一部または全部が前記ガス循環空間（８０）に入ることができる少なくとも１つのチャンバ入口ポート（８２）と、
・前記低圧再生ダクト（７）に直接または間接的に接続され、それによって前記作動ガス（８１）が前記低圧ダクト（７）に導入される前に前記ガス循環空間（８０）を出ることができる少なくとも１つのチャンバ出口ポート（８３）と
を備えることを特徴とする、再生冷却システム（１００）。
【請求項２】
前記チャンバ入口ポート（８２）が、有効断面が流量制御弁（８５）によって調節されるチャンバ入口ダクト（８４）によって前記ガスエキスパンダ（７８）の出口に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の再生冷却システム。
【請求項３】
前記チャンバ出口ポート（８３）が、有効断面が流量制御弁（８５）によって調節されるチャンバ出口ダクト（８６）によって前記低圧再生ダクト（７）に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の再生冷却システム。
【請求項４】
前記ガスエキスパンダ（７８）の前記出口が、チャンバ迂回ダクト（８７）によって前記低圧再生ダクト（７）に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の再生冷却システム。
【請求項５】
前記チャンバ迂回ダクト（８７）の有効断面が、流量制御弁（８５）によって調節されることを特徴とする、請求項４に記載の再生冷却システム。
【請求項６】
前記冷却チャンバ（７９）の外側が遮熱材（８８）で被覆されることを特徴とする、請求項１に記載の再生冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、とりわけ、本出願人に属する２０１５年２月２５日の特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題であった伝熱−膨張および再生熱機関（ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｈｅａｔ  ｅｎｇｉｎｅ）の改良を構成する再生冷却システムに関し、その特許は同様に本出願人に属する米国特許出願公開第２０１６／０２５２０４８  Ａ１号として２０１６年９月１日に公開された。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機およびタービンを用いて通常実施されるブレイトン再生サイクルはよく知られている。
【０００３】
この実施形態によれば、このサイクルは、制御点火機関よりも著しく高い効率を提供する機関をもたらす。その効率は高速ディーゼルエンジンの効率に匹敵する。しかしながら、それは、例えば海軍の推進または定置型発電において見いだされる非常に大きな排気量を有する低速２ストロークディーゼルエンジンのそれよりも低いままである。
【０００４】
非常に慎ましい総合効率に加えて、ブレイトン再生サイクルを使用する遠心圧縮機およびタービンを備えた機関は、比較的狭い範囲の出力および回転速度でそれらの最高の効率を提供する。さらに、出力変調におけるそれらの応答時間は長い。これらの様々な理由のために、それらの適用範囲は限られており、そしてそれらは陸上輸送、特に乗用車およびトラックに適応するのは難しい。
【０００５】
これらの欠点を改善するために、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の伝熱−膨張および再生熱機関が提案された。その機関は、もはや遠心圧縮機およびタービンによってではなく、むしろ容積機械によって、または少なくとも「エキスパンダシリンダ」の周りに形成された容積エキスパンダによって、再生ブレイトンサイクルを実施するという特別な特徴を有する。
【０００６】
特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の図において、上記エキスパンダシリンダの各端部がエキスパンダシリンダヘッドによって閉じられ、上記シリンダは、可変容量の２つの伝熱−膨張チャンバを形成するために二重作用エキスパンダピストンを収容することに気付く。上記ピストンは、エキスパンダシリンダ内で変位されて、よく知られているコンロッドおよびクランクシャフトを介して動力出力シャフトに仕事を伝達することができる。
【０００７】
特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である本発明によって特許請求される利点の中には、いかなる作動原理の代替の従来の内燃機関のものよりもはるかに高い熱の仕事への変換の効率があり、同じ仕事に関してその手段は、上記従来の機関よりも低い燃料消費量、および同様に付随する二酸化炭素のより少ない排出量を供給した。
【０００８】
特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号に明確に述べられているように、これらの目的を達成するためには、少なくとも３つの条件が満たされる必要がある。
【０００９】
第１の条件は、容積エキスパンダが単一のシリンダから効率的に構成されていることであり、これはこのような機械を扱う従来技術の教示ではない。例として、２００３年１２月１１日の米国特許出願公開第２００３／２２８２３７  Ａ１号明細書は、実際、圧縮機、再生熱交換器、熱源およびエキスパンダを含むが、エキスパンダはシリンダではなく、代わりにその特許の発明者らが「ジェロータ」と呼ぶものである。
【００１０】
第２の条件は、エキスパンダシリンダ内のガスの出入口が、適切に調整された吸排気調量弁によって調節され、その結果、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の図に示されている圧力対体積の図が得られることである。
【００１１】
第３の条件は、ピストンとシリンダとの間のシール装置が非常に高い温度で動作し得ることである。
【００１２】
特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号に記載されている伝熱−膨張および再生熱機関は、エキスパンダピストン内に考案された環状溝に収容された連続有孔インフレート可能および膨張可能リングによって形成される革新的なエアクッションセグメントを提案することによってこの第３の条件を満たすことに留意されたい。上記リングは、上記溝と共に加圧流体源に接続された圧力分配チャンバを画定する。
【００１３】
エキスパンダシリンダと直接接触しないこの新しいシール装置は、高温でのシリンダの動作を可能にし、一方、上記シリンダを閉鎖するシリンダヘッド内の吸排気調量弁は、伝熱−膨張および再生熱機関の効率を最大にすることを可能にする。
【００１４】
エアクッションセグメントに基づく革新的なシール装置は、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号中、主請求項に従属する請求項に意図的に置かれた。容易に理解されるように、彼の発明をこのように提示することによって、発明者は、上記セグメントが伝熱−膨張および再生熱機関の重要な要素であるとして上記特許出願に提示されても、上記セグメントに取って代わり得る他のシール解決策を除外しなかった。
【００１５】
特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号に明記されているように、伝熱−膨張および再生熱機関の効率を可能な限り高くするために、エキスパンダシリンダの内壁を高温にし、それにより上記シリンダ内に導入された高温ガスが、それらの壁と接触しても冷却されないか、または少なくともそれらの壁によって可能な限り少なく冷却されるようにする必要がある。これは、少なくともエキスパンダシリンダの内壁自体、および上記シリンダと協働するシリンダヘッドの内壁に当てはまる。
【００１６】
Ｓａｄｉ  Ｃａｒｎｏｔによって提示された機関熱力学の原理によれば、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号は、伝熱−膨張および再生熱機関の効率は、エキスパンダシリンダに導入されたガスの温度が高いほど大きいことを提案している。
【００１７】
これは、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号が、伝熱−膨張および再生熱機関のエキスパンダシリンダ、エキスパンダシリンダのシリンダヘッドおよびエキスパンダピストンが、アルミナ、ジルコン、または炭化ケイ素をベースとするセラミックなどの非常に高い温度に耐える材料から作られることを要求する理由である。
【００１８】
さらに、伝熱−膨張および再生熱機関の高温部分および高温の構成要素は、上記機関の改良に関する特許の主題である。したがって、本出願人に属する２０１５年９月１４日の特許出願ＦＲ第１５  ５８５８５号を引用することができ、それは二重作用および適応支持エキスパンダシリンダを扱い、上記シリンダは高温で動作することができそしてそれが取り付けられているトランスミッションケースとは異なる熱膨張にさらされることができる。同じように、２０１５年９月１４日の特許出願ＦＲ第１５  ５８５９３号が同様に本出願人に属し、プレストレスを与えられた組立体から構成されかつ温度で動作することができる二重作用ピストンを扱うことに気付くであろう。
【００１９】
上記引用した特許出願ＦＲ第１５  ５８５８５号およびＦＲ第１５  ５８５９３号は、同じ装置内で高温の部品と低温の部品の存在に対処するための非常に堅牢な解決策を提案していることに留意されたい。
【００２０】
特に、上記特許で提案されている構成は、熱が高温部品からそれらが協働する低温部品へ移動するのをかなり防止する。これにより、伝熱−膨張および再生熱機関の効率が確実に向上する。
【００２１】
他方、特許出願ＦＲ第１５  ５８５８５号およびＦＲ第１５  ５８５９３号で提案されている改良は、上記機関のエキスパンダシリンダに導入されるガスの温度が例えば１３００℃である場合、そのシリンダの内壁の温度は局所的に１３００℃に近くなり、それらの壁の平均温度は例えば１０００℃に近づくという事実を変えるものではない。
【００２２】
したがって、これらのガスの温度は、伝熱−膨張および再生熱機関のエキスパンダシリンダの高温部分を構成する材料が耐えなければならない温度を直接決定する。それ故、間接的に、これらの材料の温度抵抗がその機関の最大源利用できる効率を決定する。
【００２３】
さらに、非常に高い温度に耐えることができる問題の材料は、腐食および酸化に対しても耐性でありながら、これらと同じ温度で高い機械的強度をさらに提供する必要があるので、比較的少数であることに留意されたい。
【００２４】
上記材料は主にアルミナ、ジルコン、炭化ケイ素または窒化ケイ素などのセラミックである。これらの材料は硬く、機械加工が難しい。その結果、完成部品の販売価格は比較的高くなり、これは特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号に記載されている伝熱−膨張および再生熱機関の自動車産業による採用に対する障害である。実際、この産業は消費者市場を対象とするので、製造販売価格に非常に敏感であり、それはできるだけ低くする必要がある。
【００２５】
したがって、理想は、この機関のエキスパンダシリンダの内壁が、例えば７００〜９００℃の最高温度に維持されることであろう。実際、そのような温度では、鋳鉄またはステンレス鋼または耐火物など、セラミックよりも製造および機械加工が安価なより一般的な材料を使用してエキスパンダシリンダを製造することができる。同じことが、シリンダヘッドならびにそのシリンダと協働するそれぞれのプレナムおよびダクトにも当てはまる。
【００２６】
しかしながら、一方では伝熱−膨張および再生熱機関のエキスパンダシリンダに導入された高温ガスの温度の低下を防止し、他方ではこれらのガスの熱を、それらのガスが接触するシリンダのより冷たい壁を介して純粋な損失として逃げることを許容することが必須である。実際、これら二つの作用は、伝熱−膨張および再生熱機関の最終効率を著しく低下させるという有害な結果をもたらすであろう。
【００２７】
したがって、現在の最先端技術では、非常に高い効率を有するが費用がかかりかつ製造が困難な伝熱−膨張および再生熱機関と、同じ原理に基づくが製造により費用がかからない材料に頼り、しかし効率の大幅な低下を犠牲にする機関との間で選択する必要がある。これはジレンマとなる。
【発明の概要】
【００２８】
このジレンマを解決するために、特定の一実施形態における本発明の再生冷却システムは、以下のことを可能にする：
・特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関のエキスパンダシリンダの内壁およびそのシリンダヘッドの温度を著しく低下させ、上記熱機関の総合効率を著しく低下させることなく、そのシリンダおよびそれらのシリンダヘッドを製造するためにより低い販売価格の材料の使用を可能にすること。
・本発明による再生冷却システムがない場合、セラミックなどの高価で複雑な材料に対して可能であるよりも高い温度のエキスパンダシリンダへのガスの吸入を可能にすること。
・セラミックなどの高価で複雑な材料を用いた同じ機関に対して可能であるよりも低い販売価格の材料を用いてより高い最終エネルギー効率を有する特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関を提供すること。
【００２９】
本発明による再生冷却システムは、主に本出願人に属する特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関に向けられていることが理解される。
【００３０】
しかしながら、このシステムはまた、エキスパンダが遠心分離機、容積式、またはいずれかの他の種類のものであるかどうかにかかわらず、そしてそれがいずれかの所与の種類の再生器と協働するという条件で、ブレイトン再生サイクルを有するいずれかの他の機関のエキスパンダに制限なく適用されてもよい。
【００３１】
本発明の他の特徴は、本記載に、および主請求項に直接的または間接的に従属する副請求項に記載されている。
【００３２】
本発明による再生冷却システムは再生熱機関用に設計され、再生熱機関は、高圧再生ダクトを有する少なくとも１つの再生熱交換器を備え、高圧再生ダクト内を、圧縮機によって予め圧縮された作動ガスがそこで予め加熱されるように循環し、一方、上記ダクトの出口でガスは熱源によって過熱され、その後ガスエキスパンダに導入され、そこで動力出力シャフト上で仕事を実行するために膨張され、上記ガスは次にガスエキスパンダの出口で排出され、再生熱交換器の低圧再生ダクトへ導入され、上記ガスは、上記ダクト内を循環することによって、その残留熱の大部分を高圧再生ダクト内を循環する作動ガスに引き渡し、上記システムは、
・ガスエキスパンダおよび／または熱源および／または上記熱源を上記エキスパンダに接続する高温ガス取り入れダクトを全体的または部分的に取り囲む少なくとも１つの冷却チャンバであって、一方で上記チャンバおよび／または他方で上記エキスパンダおよび／または上記熱源および／または上記ダクトの間のガス循環空間を開放したままにしておく少なくとも１つの冷却チャンバ、
・ガスエキスパンダの出口に直接または間接的に接続され、それによって上記エキスパンダから上記出口を介して排出された作動ガスの一部または全部がガス循環空間に入ることができる少なくとも１つのチャンバ入口ポート、
・低圧再生ダクトに直接または間接的に接続され、それによって作動ガスが上記低圧ダクトに導入される前にガス循環空間を出ることができる少なくとも１つのチャンバ出口ポート
を備える。
【００３３】
本発明による再生冷却システムは、有効断面が流量制御弁によって調節されるチャンバ入口ダクトによってガスエキスパンダの出口に接続されたチャンバ入口ポートを備える。
【００３４】
本発明による再生冷却システムは、有効断面が流量制御弁によって調節されるチャンバ出口ダクトによって低圧再生ダクトに接続されるチャンバ出口ポートを備える。
【００３５】
本発明による再生冷却システムは、チャンバ迂回ダクトによって低圧再生ダクトに接続されたガスエキスパンダの出口を備える。
【００３６】
本発明による再生冷却システムは、流量制御弁によって調節されるチャンバ迂回ダクトの有効断面を含む。
【００３７】
本発明による再生冷却システムは、遮熱材で被覆された冷却チャンバの外側を含む。
【００３８】
添付の図面に関するおよび非限定的な例として与えられた以下の記載は、本発明、その特徴、およびそれが提供し得る利点のより深い理解を可能にするであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本出願人に属する特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関において実施することができるような本発明による再生冷却システムの概略側面図であり、上記システムの１つの変形によれば、ガスエキスパンダの出口がチャンバ迂回ダクトによって低圧再生ダクトに接続され、その結果、その迂回ダクトおよびチャンバ出口ダクトの有効断面は流量制御弁によって調節される。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、再生冷却システム１００、その構成要素、その変形形態、およびその付属品の様々な詳細を示している。
【００４１】
図１に示すように、再生冷却システム１００は再生熱機関１用に提供され、再生熱機関１は高圧再生ダクト６を有する少なくとも１つの再生熱交換器５を有し、高圧再生ダクト６内を、圧縮機２によって予め圧縮された作動ガス８１が循環し、そこで加熱される。
【００４２】
高圧再生ダクト６を出ると、上記ガス８１は熱源１２によって過熱されてからガスエキスパンダ７８に導入され、そこで膨張されて動力出力シャフト１７に仕事をもたらす。
【００４３】
作動ガス８１は次にガスエキスパンダ７８から排出され、再生熱交換器５の低圧再生ダクト７に導入され、上記ガス８１は、上記ダクト７内を循環することによって、高圧再生ダクト６内を循環する作動ガス８１にかなりの程度のその残留熱を引き渡す。
【００４４】
これに関連して、以下のことが図１に明確に示されている。本発明による再生冷却システム１００は、少なくとも１つの冷却チャンバ７９を備え、冷却チャンバ７９は、ガスエキスパンダ７８および／または熱源１２および／または上記熱源１２をエキスパンダ７８に接続する高温ガス取り入れダクト１９を全体的または部分的に取り囲む一方で、上記チャンバ７９、および／または上記エキスパンダ７８および／または上記熱源１２および／または上記ダクト１９の間のガス循環空間８０を開放したままにしておき、作動ガス８１はこの空間８０内を循環することができる。
【００４５】
冷却チャンバ７９は引き抜き加工されたまたはハイドロフォームされたステンレス鋼板から作製することができ、またそれは、溶接、ねじ止め、またはリベット締めによって互いに組み立てられたいくつかの部品で実現されてもよく、その後チャンバはそれが取り囲む構成要素７８、１２、１９に直接的にまたは間接的に取り付けられてもよいことに注目されたい。
【００４６】
図１は、本発明による再生冷却システム１００が、ガスエキスパンダ７８に直接または間接的に接続された少なくとも１つのチャンバ入口ポート８２であって、それによって上記出口を介して上記エキスパンダ７８から排出された作動ガス８１の一部または全部がガス循環空間８０に入ることができるチャンバ入口ポート８２をさらに含むことを示す。
【００４７】
再度、図１において、本発明による再生冷却システム１００はまた、低圧再生ダクト７に直接または間接的に接続された少なくとも１つのチャンバ出口ポート８３であって、それによって作動ガス８１が上記低圧ダクト７に導入される前にガス循環空間８０を離れ得るチャンバ出口ポート８３を備えることに気付くであろう。
【００４８】
好ましくは冷却チャンバ７９はガスエキスパンダ７８および／または熱源１２および／または高温ガス進入ダクト１９を密に取り囲み、それにより作動ガス８１はチャンバ入口ポート８２を介してのみガス循環空間８０に入ることができ、一方、そのガス８１はチャンバ出口ポート８３を介してのみその空間８０を離れることができることに注目されたい。
【００４９】
図１に示すような本発明による再生冷却システム１００の１つの変形実施形態によれば、チャンバ入口ポート８２はチャンバ入口ダクト８４を介してガスエキスパンダ７８の出力に接続することができ、チャンバ入口ダクト８４の有効断面は流量制御弁８５によって調整され、この流量制御弁８５は、その位置に応じて、上記ダクト８４内の作動ガス８１の循環を阻止、許容、または制限することができる。
【００５０】
図１に再び示すように、別の変形として、チャンバ出口ポート８３は、チャンバ出口ダクト８６によって低圧再生ダクト７に接続することができ、チャンバ出口ダクト８６の有効断面は流量制御弁８５によって調整され、この流量制御弁８５は、その位置に応じて、上記チャンバ出口ダクト８６内の作動ガス８１の循環を阻止、許容、または制限することができる。
【００５１】
図１はまた、本発明による再生冷却システム１００の別の変形例が、作動ガス８１がガスエキスパンダ７８の出口から排出されガス循環空間８０を通って移動することなく直接この出口から低圧再生ダクト７へ進むことを許容するチャンバ迂回ダクト８７によってガスエキスパンダ７８の出口を低圧再生ダクト７に接続できるものであることを示す。
【００５２】
この後者の変形例によれば、チャンバ迂回ダクト８７の有効断面は流量制御弁８５によって任意選択的に調整することができ、流量制御弁８５は、その位置に応じて、上記迂回ダクト８７内の作動ガス８１の循環を阻止、許容、または制限し得る。
【００５３】
図１において、有利なことに、冷却チャンバ７９の外側は、当業者に知られている任意の断熱材料から形成することができる遮熱材８８で被覆することができ、遮熱材８８は、冷却チャンバ７９に加えて、再生熱機関１を構成する様々な高温ダクトおよび要素を被覆し得ることに注目されたい。
【００５４】
この場合、上記遮熱材８８は、再生熱機関１の効率にとって好ましくない過剰な熱の損失を防ぐために設けられていることに注目されたい。
【００５５】
本発明の機能
本発明による再生冷却システム１００の機能は、図１を考慮することによって容易に理解されるであろう。
【００５６】
この機能を記載するために、本発明による再生冷却システム１００の例示的な実施形態をここで使用し、ここで、それが適用される再生機関１は、本出願人に属する２０１５年２月２５日の特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝達−膨張および再生熱機関からなる。
【００５７】
図１から分かるように、再生機関１は、ここでは、圧縮機入口ダクト３を介して大気中から作動ガス８１を取り込む低圧圧縮機３５からなる２段圧縮機２を備え、上記低圧圧縮機３５の出口は中間圧縮機冷却器３７を介して高圧圧縮機３６の入口に接続される。
【００５８】
図１は、高圧圧縮機３６の出口で、作動ガス８１が再生熱交換器５、この場合それ自体良く知られている向流熱交換器４１を備える高圧再生ダクト６内に排出されることを示している。ここでは作動ガス８１は２０バールの圧力および２００℃の温度で高圧圧縮機３６から排出されると仮定する。
【００５９】
高圧再生ダクト６内を循環することによって、作動ガス８１は、隣接する低圧再生ダクト７内を循環する高温作動ガス８１によって６５０℃の温度まで予熱される。
【００６０】
簡単にするために、再生熱交換器５の効率は１００パーセントであると考える。これは、低圧再生ダクト７内を循環する作動ガス８１が６５０℃の温度で低圧再生ダクト７に入り、２００℃の温度で上記ダクト７を出たあと、機関出口ダクト３３を介して大気中に放出される一方、高圧再生ダクト６内を循環する作動ガス８１は２００℃の温度で高圧再生ダクト６に入り、６５０℃の温度で出ることを意味する。
【００６１】
高圧再生ダクト６を出ると、上記作動ガス８１は、熱源１２によって１，４００℃まで過熱され、この熱源１２は、本例示的実施形態によれば、燃料バーナ３８から構成される。
【００６２】
バーナ３８を出ると、作動ガス８１は、高温ガス取り入れダクト１９によって、ガスエキスパンダ７８に運ばれる。ガスエキスパンダ７８は、実際には、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝達−膨張および再生熱機関のエキスパンダシリンダ１３である。
【００６３】
高温ガス取り入れダクト１９は、エキスパンダシリンダ１３の一方の端部または他方の端部を覆うエキスパンダシリンダのヘッド１４へのその接続部分まで高温耐性を有するセラミックから作られるのが好ましいことに注目されたい。したがって、このダクト１９の温度は、上記ダクト１９内を循環する作動ガス８１がその全経路に沿ってその温度を保持するように、ほぼ１，４００℃に等しく維持される。
【００６４】
したがって、図１に示すように、エキスパンダシリンダ１３の各端部は、二重作用エキスパンダピストン１５とともに２つの伝達−膨張チャンバ１６を画定するように、エキスパンダシリンダヘッド１４で覆われている。各シリンダヘッドは吸気調量弁２４と排出調量弁３１とを有することにも注目されたい。
【００６５】
本発明による再生冷却システム１００のおかげで、伝達−膨張および再生熱機関は高温であるが、エキスパンダシリンダ１３とエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４とは７００℃に近い温度に維持される。これにより、上記シリンダ１３および上記シリンダヘッド１４を、ステンレス鋼またはフェライトシリコン鋳鉄などのセラミックよりも安価で一般的な材料から構成することが可能になる。
【００６６】
二重作用エキスパンダピストン１５に関して、および本発明の再生冷却システム１００のこの非限定的な例によれば、それは窒化ケイ素から製造される。上記ピストン１５の平均動作温度は約８００℃である。
【００６７】
図１において、上記ピストン１５が機械的伝達手段１９によって動力出力シャフト１７に接続され、上記手段１９は特にクランク４３に連接されたコンロッド４２から構成されることに気付くであろう。
【００６８】
作動ガス８１は２０バールの圧力まで上昇し、したがって、１，４００℃の温度が、対応する吸気調量弁２４によって一方または他方の伝熱−膨張チャンバ１６に導入される。
【００６９】
吸気調量弁２４によって開放状態に保持されたオリフィスを通過すると、上記ガス８１は、わずかに冷却し始める、特に、それが通過するエキスパンダシリンダのヘッド１４の内壁と接触すると、およびそれが二重作用エキスパンダピストン１５によってそこで膨張されるために導入される伝熱−膨張チャンバ１６の内壁と接触すると、わずかに冷却し始める。上記壁は、先に見たように、再生冷却システム１００によって７００℃に維持されている。
【００７０】
この地点で、作動ガス８１は、エキスパンダシリンダのヘッド１４の内壁、および伝熱−膨張チャンバ１６の内壁を一掃することによって平均１００℃を失うと仮定する。結果、作動ガス８１の温度は、高温ガス取り入れダクト１９から伝熱−膨張チャンバ１６へ移動する間に低下して、１，４００℃から１，３００℃に移動する。
【００７１】
所望量の作動ガス８１が対応する吸気調量弁２４によって伝熱−膨張チャンバ１６に効果的に導入されると、吸気調量弁２４は閉鎖され、二重作用エキスパンダピストン１５が上記ガス８１を膨張させる。そうすることで、ピストン１５は、上記ガス８１によって生成された仕事を収穫して、この仕事を、特にコンロッド４２およびクランク４３を介して、動力出力シャフト１７に伝達する。
【００７２】
作動ガス８１が二重作用エキスパンダピストン１５によって膨張させられると、そのガス８１の圧力は約１絶対バールだけ低下する。同じことがこのガス８１の温度にも当てはまり、温度は１，３００℃から５５０℃まで変化する。
【００７３】
二重作用エキスパンダピストン１５が下死点に達すると、排気調量弁３１が開き、上記ピストン１５は上記ガス８１をチャンバ入口ダクト８４に排出し、チャンバ入口ダクト８４は上記ガス８１をチャンバ入口ポート８２へ運ぶ。
【００７４】
次いで、作動ガス８１はガス循環空間８０に入り、この空間を経由してチャンバ出口ポート８３に仕向けられる。そうすることで、上記ガス８１は、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の高温の外壁を一掃する。上記外壁は、上記ガス８１がこれらの壁と接触して循環するときに作動ガス８１に上記壁から多かれ少なかれ熱を奪わせる強制対流を引き起こすために全体的または部分的に粗面化されるようにおよび／または幾何学的パターンが点在するように設計されている。
【００７５】
さらに、冷却チャンバ７９の内部形状および／またはエキスパンダシリンダ１３の外部形状および／またはエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の外部形状は、有利には、作動ガス８１の全部または一部が、チャンバ入口ポート８２からガス循環空間８０を介してチャンバ出口ポート８３に至る１つの経路またはいくつかの同時の経路をたどることを強いるチャネルを形成し得る。
【００７６】
作動ガス８１の強制対流および強制経路の二重戦略が、第１に、エキスパンダシリンダ１３のおよびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の高温の外壁から上記ガス８１へ熱を排出するゾーンを選択すること、第２に、上記ガス８１によって一掃される上記ゾーンの順番を選択すること、そして第３におよび最後に、上記ガス８１の経路に沿った強制対流の強度を選択することを可能にすることが理解されよう。
【００７７】
いずれにしても、冷却チャンバ７９を移動する間に、作動ガス８１の温度は、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の高温の外壁から、そのガス８１の温度が５５０℃から６５０℃まで徐々に変化する点まで熱を引く。そうすることで、および作動ガス８１のために選択された強制対流および経路の戦略と関連して、ガスは、エキスパンダシリンダ１３の温度およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の温度を均質化し、その温度は７００℃近くに維持される。
【００７８】
作動ガス８１が６５０℃のその新しい温度に達すると、ガス８１はチャンバ出口ポート８３に到達し、チャンバ出口ダクト８６を介して低圧再生ダクト７に戻る。
【００７９】
先行の記載から理解されるように、低圧再生ダクト７を循環することによって、および機関出口ダクト３３を介して大気中に放出される前に、チャンバ出口ポート８３から排出された作動ガス８１は、その熱の大部分を隣接する高圧再生ダクト６内を循環する作動ガス８１に与える。
【００８０】
最終的にそして本発明による再生冷却システム１００のおかげで、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４を約７００℃の温度に維持するためにそれらから抽出された熱は純粋な損失として放散されない。
【００８１】
実際に、その熱は、エキスパンダシリンダ１３に送られ次いで伝熱−膨張チャンバ１６に導入される前に作動ガス８１を１，４００℃の温度にするために燃料バーナ３８によって提供されることを必要とする熱の一部に取って代わるために再生熱機関１の熱力学的サイクルに再導入される。
【００８２】
図１において、流量制御弁８５を備えるチャンバ迂回ダクト８７に気付くだろう。同じく図１において、チャンバ出口ダクト８６が同様に流量制御弁８５を有することに気付くだろう。これら２つの弁８５は、本発明による再生冷却システム１００の変形実施形態を構成し、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の温度を調節するために設けられている。
【００８３】
実際に、その温度が高すぎると、チャンバ迂回ダクト８７の流量制御弁８５が上記迂回ダクト８７を閉鎖し、一方でチャンバ出口ダクト８６の流量制御弁８５がその出口ダクト８６を開放する。これは伝熱−膨張チャンバ１６からそれぞれの排気調量弁３１によって排出された作動ガス８１を強制的に循環空間８０を通過させて低圧再生ダクト７に戻す効果を有する。
【００８４】
他方、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の温度が低すぎると、チャンバ迂回ダクト８７の流量制御弁８５はその迂回ダクト８７を開放し、一方でチャンバ出口ダクト８６の流量制御弁８５は閉鎖される。これは、それぞれの排気調量弁３１によって伝熱−膨張チャンバ１６から排出された作動ガス８１がガス循環空間８０を通過して低圧再生ダクト７に戻るのを防止する効果を有する。したがって、上記ガス８１は、チャンバ迂回ダクト８７を介して直接上記ダクト７に戻る。
【００８５】
実用においては、流量制御弁８５が全開または全閉のいずれかであることはめったにないこと、および、上記弁８５は、ガス循環空間８０を循環する作動ガス８１の流速を急激に変化させることなく、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４の温度を調節するために、わずかに開放した状態に維持することができることは理解されよう。
【００８６】
上記温度の調節は、例えば、少なくとも１つの温度センサと、１つのマイクロコントローラとから構成された制御装置を必要とし、温度センサおよびマイクロコントローラは、それ自体既知であり、それぞれが流量制御弁８５を開閉するように作動させるようにあらゆる種類のサーボモータを制御することを可能にすることも理解されよう。
【００８７】
本発明による再生冷却システム１００の特定の実施形態によれば、流量制御弁８５は、同じサーボモータを共有するために機械的連結部によって一緒に接続することもできる。この場合、上記連結部は、第１の弁８５が閉鎖されたときに第２の弁８５が開放されること、またその逆が確実に行われるようにする。
【００８８】
本発明による再生冷却システム１００は、特に、本出願人に属する特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関を実施するときに、多くの利点をもたらすことを先の記載から容易に結論付けるであろう。
【００８９】
第１の利点として、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４を炭化ケイ素などのセラミック材料から製造する必要がなくなる。実際に、この種の材料は、その高い硬度のために従来の切削工具または研磨工具を使用して機械加工することを困難にするので、製造費が高くつくことが知られている。本発明による再生冷却システム１００のおかげで、そのようなセラミックを鋳鉄またはステンレス鋼で置き換えることが可能である。これは、伝熱−膨張および再生熱機関の製造販売価格を大幅に下げ、これは特にそのような機関が自動車市場に参入するために決定的である。
【００９０】
第２の利点として、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４はより低温であるので、本出願人に属する２０１５年９月１４日の特許出願ＦＲ第１５  ５８５８５号の主題である適応支持を有する二重作用エキスパンダシリンダの中空ピラーを製造するために、石英などの非常に低い熱伝導率および高い圧縮強度を有する材料を使用することができる。実際、石英は１３００℃の温度に適応しないが、それは７００℃の温度に完全に適応する。ここで、問題の適応支持を有する二重作用エキスパンダシリンダは、伝熱−膨張および再生熱機関の重要な改良の１つであることを覚えておくこと。
【００９１】
第３の利点として、エキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４は７００℃に維持されるので、それらは、これらの温度レベルに適応する既存の窒化ケイ素弁を使用してもよい。そのような弁は、例えば「ＮＧＫ」社によって開発されており、特に、第５回欧州ＦＰ５−ＧＲＯＷＴＨプログラムの枠組みにおいて資金を提供された「ＬＩＶＡＬＶＥＳ」と題されたプロジェクトＮｏ．Ｇ３ＲＤ−ＣＴ−２０００−００２４８という状況において、それらの低コスト産業化のための調査の主題であった。
【００９２】
第４の利点として、エキスパンダシリンダ１３の内壁の温度が７００℃付近に維持されるので、本出願人に属する特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号で提案されたようなエアクッションセグメントを、これらの温度レベルに耐久性のある超合金から製造することができ、この際、特に、伝熱−膨張および再生熱機関が停止されるときおよびそれが冷える前、そのセグメントが７００℃よりも著しく高い温度にさらされるリスクはない。
【００９３】
第５の利点として、特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関に適用される場合、本発明による再生冷却システム１００は、エキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４を取り囲む遮熱材８８の温度露出を制限することを可能にする。実際に、冷却チャンバ７９は一方ではこれらシールド８８と、他方では上記シリンダ１３および上記シリンダヘッドとの間に挿入される。したがって、上記シールド８８の販売価格および耐久性が大幅に改善される。
【００９４】
これらの利点は、伝熱−膨張および再生熱機関の最終エネルギー効率を妨げることなく得られる。
【００９５】
対照的に、本発明による再生冷却システム１００は、一方ではエキスパンダシリンダ１３およびエキスパンダシリンダのシリンダヘッド１４を構成する材料の温度抵抗性と、他方では燃料バーナ３８から出る作動ガス８１の温度との間の特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号による既存の関係性を切り離すことを可能にする。
【００９６】
ある程度、本発明による再生冷却システム１００のおかげで、伝熱−膨張および再生熱機関の最終効率を向上させるために、および機関を構成する主要な要素の温度安定性を妥協することなく、燃料バーナ３８から出る作動ガス８１の温度を上昇させることが考えられる。
【００９７】
特許出願ＦＲ第１５  ５１５９３号の主題である伝熱−膨張および再生熱機関に加えて、本発明による再生冷却システム１００は、その構成および温度特性が上記システム１００に適応する他の任意の再生熱機関１に有利に適用できることに留意されたい。
【００９８】
したがって、本発明による再生冷却システム１００の可能性は、今記載した用途に限定されるものではなく、前述の記載は例としてのみ与えられたものであり、記載された実行の詳細をいずれの他の均等物で置き換えることによっても回避されない上記発明の範囲を決して限定しないことをさらに理解されたい。
【図１】
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【国際調査報告】
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