KR101539790B1 - 기계적 에너지에 의해 저온의 열에너지를 비교적 고온의 열에너지로 변환하기 위한 방법 및 그와 반대로 변환하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

밀폐된 열역학적 순환 과정을 통과하는 작동매체를 이용하여 기계적 에너지에 의해 저온의 열에너지를 비교적 고온의 열에너지로 변환하기 위한 방법 및 그와 반대로 변환하기 위한 방법, 상기 순환 과정은
-작동 매체의 가역 단열 압축 단계
-작동 매체로부터 나온 열의 등압 전도 단계
-작동 매체의 가역 단열 이완 단계
-작동 매체로 열의 등압 공급단계를 포함하는 방법에 있어서,
상기 작동 매체에 작용되는 원심력을 증가 또는 감소시킴으로써 상기 작동 매체의 압력의 증가 또는 감소가 압축 또는 이완 동안 생성되고, 결과적으로 작동 매체의 유동 에너지가 실질적으로 압축 또는 이완 과정 동안 유지된다.

Description

기계적 에너지에 의해 저온의 열에너지를 비교적 고온의 열에너지로 변환하기 위한 방법 및 그와 반대로 변환하기 위한 방법{METHOD FOR CONVERTING THERMAL ENERGY AT A LOW TEMPERATURE INTO THERMAL ENERGY AT A RELATIVELY HIGH TEMPERATURE BY MEANS OF MECHANICAL ENERGY, AND VICE VERSA}

본 발명은 기계적 에너지에 의해 저온의 열에너지를 비교적 고온의 열에너지로 변환하기 위한 방법 및 그와 반대로 경우, 즉 밀폐된 열역학적 순환 과정(thermodynamic circulation process)을 진행하는 작동 매체(working medium)를 이용하여 기계적 에너지의 방출 동안 비교적 고온의 열 에너지를 비교적 저온의 에너지로 변환하기 위한 방법,에 관한 것으로, 상기 순환 과정은 후술할 작동 단계를 포함한다.

-작동 매체가 가역 단열 압축되는 단계,

-작동 매체로부터 나온 열이 등압 전도되는 단계,

-작동 매체가 가역 단열 이완되는 단계,

-작동매체로 열이 등압 공급되는 단계

추가적으로, 본 발명은 열의 공급 또는 제거를 위해 압축기, 이완 장치 및 개별적인 열 교환기를 이용하여 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 장치에 관한 것이다.

소위 열 펌프(heat pump)라는 다양한 장치가 선행기술로 공지되어 있고, 일반적으로 열 펌프 내에 모터는 압력을 증가시킴으로써 저온의 작동 매체를 상대적으로 고온으로 가열하도록 이용된다. 공지 열 펌프에서, 작동 매체는 열역학적 순환 과정을 진행하며, 상기 열역학적 순환 과정은 증발, 압축, 액화(liquefaction) 및 인덕터에서 작동매체를 팽창시키는 것을 포함하며, 즉 일반적으로 작동매체의 집합 상태는 가변한다.

공지된 열 펌프에서, 일반적으로 오존에 유해한 영향을 미치지 않는 냉각제(coolant) R134a 또는 다른 재료 중에 R134a를 포함하는 혼합물이 이용되나, 여전히 같은 양의 이산화탄소(CO₂)보다 1300배 더 온실효과를 가진다. 실질적으로 상기 방법은 카르노 과정(Carnot process)에 따라 실행되며, 이론적 성능 계수(theoretical performance number) 또는 COP (coefficient of performance)를 제시하며, 즉 (0℃ 내지 35℃ 사이에서 작동 매체를 "펌핑"할 때) 이용된 에너지로 방출된 열 사이에서 약 5.5의 상관 관계를 제시한다. 그러나 최근에 구현된 가장 좋은 성능 계수는 단지 4.9에 이르렀다; 일반적으로 현재 우수한 열 펌프는 약 4.7의 성능 계수를 산출한다.

WO 1998/30846 A1로 공지된 장치는 냉장고(refrigerator) 또는 모터로써 이용될 수 있고, 여기에서 주변 환경으로부터 흡인되고 압축되거나 이완된 후에 주변으로 다시 방출되는 공기가 작동 매체로써 이용된다. 상기 개방형 시스템에서, 각운동량(angular momentum)은 작동매체가 기계 내로 유입됨으로써 축적되며 작동 매체가 기계에 존재함으로써 줄어서, 상당한 마찰 손실이 발생한다.

중공 로터(hollow rotor)를 포함한 장치가 DE 27 29 134 A1로 공지되었고, 여기에서 가이드 통로(guide passages) 및 작동 매체 사이에서 비교적 고속이 발생하도록, 가이드 통로 또는 가이드 날개(guide vanes)는 회전 본체의 외부 주변부 상에 제공된다. 또한 상기 가이드 날개는 유동 에너지에서 비교적 낮은 성능 계수(COP)에 원인이 되는 높은 손실을 생성한다.

공지된 FR 2 749 070 A1은 단지 종래의 터보압축기 또는 톱니 디스플레이서(toothed displacer)를 포함한 다른 유형의 열 펌프이다.

공지된 GB 1 217 882 A는 실질적으로 원심력을 이용하는 열역학 장치이나, 여기에서 유도 지점(induction point)이 제공되어, 상당한 마찰 손실이 발생한다.

반면, 또한 특히 지열의 액체 및 지역의 증기로부터 열을 전기 에너지로 변환하는 것을 포함하는 다수의 방법이 종래기술로 공지되었다. 소위 KALINA 과정에서, 열이 물에서 암모니아수 혼합물로 방출되어, 터빈에 동력을 전달하도록 이용되는 비교적 저온인 증기를 생성한다. 예를 들면, 상기 KALINA과정은 US 4 489 563에서 설명된다.

이론적으로 매우 높은 성능 계수의 구현이 매우 다양한 열 교환 방법에서 가능하고, 일반적으로 종래 작동 매체가 가스 영역에서 압축되고 이완되는 압축기 및 이완 장치는 비교적 낮은 효율을 가진다.

결과적으로, 본 발명의 목적은 기계적 에너지에 의해 저온의 열 에너지를 비교적 고온의 열 에너지로 변환하는 동안 및 그 반대의 경우 동안 효율 또는 성능 계수를 향상시키는 것이다.

　압축 또는 이완(relaxation) 동안 실질적으로 작동 매체의 유동 에너지(flow energy)가 보존되도록, 상기한 바는 작동 매체에 작용하는 원심력을 증가시키거나 감소시킴으로써 압축 또는 이완 동안 작동 매체의 압력이 증가 또는 감소시켜 본 발명에 따라 구현된다. 종래 압축기에 비해 명백히 비교적 고효율이 작동 매체에서 유동 에너지의 보유 및 원심 가속을 이용하여 구현되며, 압축기의 주변부(periphery)에 작동 매체의 고속은 압력으로 변환하여, 낮은 효율이 야기된다. 유사한 방식에서, 효율은 원심력을 감소시킴으로써 이완 과정에서 작동 매체의 압력을 감소시켜 이완 동안 증가한다. 상기한 바는 전체 방법의 효율 또는 성능 계수를 향상시킨다.

　추가적으로, 액체 매체와 비교해 볼 때 에너지에 대해서 적절치 않는 반면, 가스 작동 매체가 팽창되어 작업이 에너지의 관점에서 타당하도록 회복되기 때문에, 작동 매체는 전 순환 과정에 걸쳐서 가스인 것이 효율을 향상시키기에 선호된다. 게다가, 가스 영역에서 효율의 영향이 2상 범위(2-phase range)에서 보다 상대적으로 크다.

　원심 가속에 의한 높은 압력에 대해, 상대적으로 높은 밀도를 가지거나 정압(constant pressure, cp)에서 상대적으로 낮은 특정 열용량(thermal capacity)을 가지는 가스를 이용하는 것이 선호된다. 결과적으로, 선호적으로 이용되는 작동 매체는 비활성 기체(noble gas), 특히 크립톤, 크세논, 아르곤 또는 라돈 또는 그것들의 혼합물이다. 또한, 전 과정 동안 압력이 비교적 높아지도록 50 바(bar) 이상, 특히 70 바(bar) 이상, 선호적으로 100바(bar) 이상이 측정(measured)되는 것이 밀폐된 순환 과정에서 압력에 유익하다는 것으로 증명되었다. 열 교환은 상대적으로 낮은 유동 비율(flow rates)에서 비교적 높기 때문에, 비교적 고압에 의해 열 교환기 내 압력손실을 낮게 유지하는 것이 가능하다.

　가스 작동 매체의 임계점(critical point)과 매우 밀접하게 순환 과정이 실행되는 것이 전체 효율을 향상시키거나 성능 계수를 증가시키며, 임계점은 가변하는 압력 또는 온도에서 이용되는 작동 매체의 기능을 제시된다. 전체 성능 계수 또는 전체 효율은 개별 임계점의 엔트로피로 가능하면 가장 가까운 엔트로피 범위에서 발생하는 이완을 가짐으로써 극대화된다. 게다가, 상대적으로 낮은 이완 온도가 임계점을 걸쳐서 놓여 지는 것이 선호된다. 임계점은 가스 혼합물을 이용한 요구되는 처리 온도(process temperature)로 조절될 수 있다.

　구조적으로 간결하고 효율적인 작동 매체의 냉각 또는 가열은 등 엔트로피 지수 카파~1(Kappa ~1)을 가지는 열 교환 매체를 이용한 열을 제거하거나 공급함으로써 구현될 수 있고, 매체 특히 액체 열 교환 매체 내에 온도는 정해진 압력 증가가 실질적으로 일정하도록 유지된다.

　본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 장치에서, 압축기 또는 이완 장치는 가이드 날개를 제시하지 않고, 상기 장치는 작동 매체에 작용하는 원심력을 증가시키거나 감소시켜 작동 매체의 압력이 증가되거나 감소하도록 형성된다. 본 발명에 따른 방법과 관련하여 상기 설명한 바와 같이, 작동 매체의 압축 및 이완 동안 효율적으로 분명한 개선점을 형성하여, 공지 장치와 비교해서 본 발명에 따른 장치의 성능 계수 또는 효율을 분명히 향상시킨다.

　열 교환기의 구조적으로 간결한 형상에 대하여, 열 교환기가 액체 열 전달 매체를 운송하는 하나 이상의 파이프를 각각 형성하는 것이 선호된다.

압축기로부터 이완 장치까지 작은 마찰 변화를 구현하는 것에 대해서, 특히 작동 매체의 유동 에너지를 보유하기 위해서, 이완 장치는 열 교환기를 거쳐 압축기로 직접 연결하는 것이 선호된다. 장치의 구조적으로 간결한 형상에 대해, 공유된(shared) 토크 샤프트 상에 압축기 및 이완 장치의 임펠러를 설치하는 것이 선호된다.

　원심 가속을 통하여 작동 매체의 압력을 증가시키는 구조적으로 용이한 한 방법은 압축기 및 이완 장치의 임펠러와 동시 회전하는 케이싱을 제공하는 것이다.

　압축된 작동 매체의 효과적인 냉각을 구현하기 위해서, 케이싱은 동시-회전 열 교환기(co-roatating heat exchanger)를 수용하는 것이 선호된다. 가장 선호적으로 동시-회전 열 교환기는 외측 주변부 상에 배열된다.

　그러나, 임펠러와 동시-회전하는 케이싱 대신에, 임펠러는 고정 케이싱의 의해 둘러싸지는 것이 생각될 수 있다. 상기한 바는 구조 비용을 줄일 수 있다. 그러나, 고정 케이싱과 연결된 열 교환기의 파이프 상에 작동 매체의 마찰 손실을 방지하기 위해서, 열 교환기의 파이프가 케이싱 내로 부분적으로 통합되는 것이 유리하며, 작동 매체와 접촉하는 고정 케이싱의 표면은 최대한 매끈한 디자인을 가진다.

　외부, 회전 부품을 방지하기 위해서, 압축기 및 이완 장치를 둘러싸는 비틀림-저항 케이싱(torsion-resistant casing)을 제공하는 것이 타당하다.

작동 매체로 충분한 열 공급을 구현하기 위해서, 두 개의 열 교환기가 케이싱 내 통합되는 것이 선호된다.

　작동 매체를 운반하는 파이프의 벽 두께가 작동 매체를 수용하는 케이싱의 벽 두께와 비교하여 감소할 수 있기 때문에, 하나 이상의 회전 가능하게 설치되며 작동 매체를 순환시키는 파이프 시스템을 제공하는 것은 비교적 작은 총 중량을 가지는 장치를 형성한다.

　원심력을 통하여 파이프라인 시스템 내 작동 매체를 압축하는 것에 대해, 파이프라인 시스템이 반경 방향으로 형성된 선형 압축 파이프 라인을 형성하는 것이 선호된다.

　파이프라인 시스템에서 작동 매체를 신뢰성 있게 순환시키기 위해, 파이프라인 시스템은 토크 샤프트의 회전 방향에 대해 만곡되는 이완 파이프(relaxation pipe)를 형성하는 것이 선호된다. 여기에서 이완 파이프는 구조 디자인을 단순화하기 위해서 원형으로 만곡된 횡단면을 가진다. 선택적으로, 또한 이완 파이프는 순간 중심(instant center)을 향해 계속 감소하는 횡단면 반경을 가진 만곡부를 형성한다. 상기한 바에 의해 파이프라인 시스템 내 발생하는 임의의 터뷸런스도 감소시키는 것이 가능하다.

　

추가적으로, 파이프라인 시스템 내 작동 매체의 유동은 파이프라인 시스템에 대해 회전하는 파이프라인 시스템 내 버킷 휠(bucket wheel)을 통합함으로써 신뢰성 있게 보장된다. 버킷 휠은 압축기, 이완 터빈 또는 가이드 날개로 형성되며, 여기에서 비틀림-저항 방식으로 배열될 수 있고, 비틀림-저항 배열은 회전 파이프라인 시스템으로 상대 운동을 발생한다. 또한 예를 들면, 버킷 휠은 파이프라인 시스템으로 상대 운동을 생성하거나 이용하기 위한 모터 또는 제너레이터가 구성될 수 있고, 상기 모터 또는 제너레이터는 버킷 휠의 상대 운동을 통하여 발생된 샤프트 출력을 전기 에너지로 변환한다.

　간결하고 효율적인 열 공급 또는 제거에 관하여, 파이프라인 시스템의 축 방향으로 형성된 섹션이 열 교환기의 동축으로 배열된 파이프에 의해 둘러싸지는 것이 선호된다.

열 펌프로 작동 동안 장치로 이완으로 회복된 에너지 및 압축에 필요한 에너지 사이의 차이를 공급하기 위해서, 모터가 토크 샤프트 또는 파이프라인 시스템과 연결되는 것이 선호된다.

다양한 온도 레벨에서 획득된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해서, 열 기관(thermal engine)으로써 장치를 이용할 때, 제너레이터는 토크 샤프트와 연결되는 것이 선호된다.

본 발명은 실시예로 제한되진 않지만, 도면에 도시된 선호적인 전형적인 실시예에 기초하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 물론, 또한 설명된 전형적인 실시예의 조합은 가능하다. 도면에서 상세히 도시된다;
도 1은 열 펌프로써 작동되는 동안 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 장치의 도식적인 과정 블록도.
도 2는 동시-회전 케이싱을 포함한 본 발명에 따른 장치의 단면도.
도 3은 고정 케이싱을 포함한 본 발명에 따른 장치의 단면도.
도 4는 모터가 내부에 통합되나, 도 3과 유사한 단면도.
도 5는 작동 매체를 운반하는 파이프라인을 포함하는 다른 전형적인 실시예의 단면도.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 라인에 따른 단면도.
도 7은 도 5의 Ⅶ-Ⅶ 라인에 따른 단면도.
도 8은 작동 매체를 수용하는 파이프라인 시스템을 포함하는 다른 전형적인 실시예의 단면도.
도 9는 도 8에 따른 장치의 사시도.
도 10은 정지식 터빈을 포함하지만, 도 5와 유사한 장치의 단면도.
도 11은 파이프라인 시스템에 대해 회전하는 터빈을 포함하지만, 도 10과 유사한 장치의 단면도.

도 1은 선행 기술로부터 공지된 기본적인 종류의 열역학 순환 과정(thermodynamic circulation process)의 과정 블록도에 대한 개략도이다. 열 펌프로 설명된 적용예에서, 처음에 압축기(1)는 가스인 작동 매체를 등 엔트로픽하게 압축하도록 이용된다. 고온 상태인 열에너지가 열 순환 시스템으로 방출되고 순환되도록(물, 물/부동액(antifreeze) 또는 몇몇 다른 액체 열 전달 매체를 이용하여), 빈번하게 열교환기(heat exchanger, 2)에 의해 등압 열 제거(isobaric heat removal)가 발생된다.

그 이후에, 등엔트로픽 이완(isentropic relaxation)은 터빈 내에 수용된 이완 장치(expansion unit, 3)에서 실행되어, 기계적 에너지를 회복한다. 그 이후에, 다른 열 교환기(4)는 등압 열 공급에 영향을 미쳐서, 순환 시스템에 의해 저온의 열 에너지를 시스템으로 (물, 물/부동액(antifreeze), 간수(brine) 또는 몇몇 다른 액체 열 전달 매체를 이용하여)공급한다. 상기 경우에, 일반적으로 열 에너지는 정수(well water)로부터, 소위 깊이 프로브(depth probes)로부터, 추출되며, 상기 열 에너지 내 열은 지면에서 200미터(ｍ) 정도의 깊이에 위치된 열 교환기로부터 추출되며 열 펌프로 공급되거나 열 에너지는 공기로부터 또는 단지 지하에 놓여진 큰 열 교환기(파이프라인)로부터 추출된다. 상기 설명된 바와 같이, 다시 등압 열 공급은 압축기(1)를 이용하여 등엔트로피적 압축에 의해 뒤따른다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치가 비교적 고온의 열에너지를 저온의 열에너지로 변환하는 경우에서, 상기 순환 과정은 역순으로 발생한다. 열 펌프의 작동 동안, 모터(5)는 토크 샤프트(torque shaft, 5´)에 동력을 공급하기 위해 제공되며; 열 엔진의 작동 동안, 모터는 제너레이터(generator, 5) 또는 모터 제너레이터(5)로 대체된다.

도 2는 본 발명에 따른 장치를 도시하며, 도 2에서 모터(5)는 동시-회전 케이싱(6)을 포함하는 압축기(1)에 동력을 제공하기 위해 토크 샤프트(torque shaft, 5´)를 이용한다. 추가적으로, 밀봉부인 정지식 케이싱(motionless casing, 8) 내에 수용된 비활성 기체(noble gas), 선호적으로 크립톤(krypton) 또는 크세톤(xenon),가 원심 가속(centrifugal acceleration)을 통하여 동시-회전 케이싱(co-rotating casing, 6) 내에서 압축되도록, 압축기(1)의 임펠러(impellers, 1´)는 전기 모터(5)에 의해 구동되는 토크 샤프트(5´)에 의해 동력이 공급된다.

동시-회전 케이싱(6)은 예를 들면, 물과 같은 열교환 매체를 보유하는 열 교환기(2)의 나선 파이프라인(9)을 통합된다. 배출구(outlet, 11)에서 비교적 온수를 방출하는 것이 가능하게 하고, 최대 허용 고압(highest possible pressure)에서 작동 매체를 포함하여 작동 매체로부터 열의 등압 제거를 수행하기 위해서, 비교적 냉수는 유동 방향(flow direction, 10´)에서 나선 파이프라인(9) 내로 입구(10)를 통하여 혼입되며, 동시-회전 케이싱(6) 내부 외측 주변부 상에 배열된다.

그 이후에 작동 매체는 이완 장치(3)의 임펠러(3´)로 임의의 상당한 손실 없이 유동하고, 상기 유동으로부터 기계적 에너지는 회복된다. 그 이후에 다시 작동 매체가 압축기(1)의 임펠러(1´)를 통하여 단열 등압 압축(adiabatic isentropic compression)될 때까지, 열의 등압 공급은 다른 열 교환기(4)의 나선형 파이프 라인(12)을 통하여 정지식 케이싱 내에서 발생한다.

그러나, 압축기(1)에서 압축 동안 및/또는 이완 장치(3)에서 이완 동안 밀봉 시스템을 포함하는 장치에서 보유된 작동 매체의 에너지는 작동 매체의 유동 에너지를 보유 하며, 작동 매체의 압력 증가 또는 감소는 작동 매체 내 가스 분자(gas molecules)의 원심 가속을 통하여 단독으로 구현되는 것이 매우 중요하다. 결과적으로, 전기적 또는 기계적 에너지를 통하여 저온의 열에너지가 비교적 고온의 열에너지로 변환되는 동안 및 그와 반대의 경우에, 효율 또는 성능 계수(performance coefficient)는 상당히 향상될 수 있다.

도 3은 다른 전형적인 실시예를 도시하며, 상기 실시예에서 정지식 내부 케이싱(6´)이 제공된다. 상기 실시예는 구조 설계를 단순화했다. 작동 매체용 각운동량(angular momentum)을 가능한 한 많이 보유하거나 가스인 작동 매체의 유동 손실을 낮추기 위해서, 작동 매체가 접촉하는 정지 표면은 가능한 한 매끄럽고, 흐름을 가로지르게 놓인 압력 손실을 더욱 증가시키는 열 수송 파이프가 없다. 열 교환기(2)의 나선 파이프라인(9)은 독립해 있지 않고, 매끄러운 표면(2´)을 포함한 정지식 케이싱(6´) 내에 통합된다. 전체 장치의 효율 또는 성능 계수를 증가시키기 위해, 단열재(insulation material, 13 )는 정지식 케이싱(6´) 내부에 통합된다.

도 4는 도 3의 장치와 실질적으로 대응되는 다른 전형적인 실시예를 도시하며, 다른 점은 단지 모터(5)의 배열이고, 구체적으로 상기 전형적인 실시예에서 모터(5)는 고정 케이싱(6) 내부에 수용된다.

고정식 모터 샤프트(stationary motor shaft, 16) 뿐만 아니라 정지식 내압축성 부싱(statically compression-proof bushings, 15)를 통과하는 라인(14)들은 모터에 전력을 공급하도록 제공된다. 여기에서 상기한 바와 같이 동시 회전하도록, 모터(5)는 압축기(1) 또는 이완 장치(3)와 연결된다. 선호적으로 상기 점은 동적 가스킷(가스 및 액체 가스킷)을 제거하여, 유지보수 작업을 감소시킨다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 장치의 다른 전형적인 실시예를 도시하며, 작동 매체의 압력에 노출되는 모든 부품들은 파이프 또는 파이프라인 시스템(17)으로써 형성되어, 도 2 내지 도 4에서 도시된 케이싱(6, 6´ 및 8)의 부품과 비교해볼 때, 파이프(17)를 위해 상대적으로 얇은 벽 두께를 형성하게 하며, 장치의 전체 중량을 감소시킨다.

여기에서 작동 매체는 최초에 원심 가속(centrifugal acceleration)에 기인한 압축기 장치(1)의 파이프라인 시스템(17)에 대한 반경 방향으로 형성된 압축 파이프(compression pipes, 18)에서 압축된다. 여기에서 압축된 작동 매체의 열은 열교환기(2)의 액체 열 교환 매체로 역류되게 방출되도록, 열 교환기(2)는 축 방향으로 구동하는 파이프(17)들의 외부 섹션(outlying section)에 대해 같은 축을 가지게 배열되는 파이프(19)를 제시한다.

그 후에 작동 매체는 (이완 장치(3)의)이완 파이프(20)에서 이완된다. 여기에서 이완 파이프(20)는 장치의 회전 방향(21)에 마주하게 만곡되며, 작동 매체의 순환은 후방 파이프 만곡부(backward pipe bend)의 결과로써 신뢰성 있게 발생한다(도 7을 비교해 볼 때).

특히, 도 7에서 명백하게, 이완 파이프(20)는 반원 형태로 만곡될 수 있고, 구조적 설계 면에서 파이프를 용이하게 제조하게 한다. 그 후에 다시 작동 매체는 파이프 시스템(17) 내에서 축 방향으로 유동하며, 여기에서 액체 열교환기 매체에서의 열은 냉각 이완된 작동 매체로 방출되도록, 저압 열교환기(low-pressure heat exchanger,4)는 같은 축으로 배열된 파이프(19)를 제시한다.

특히, 도 7에서 명백하게, 작동 매체용으로 상기에서 검토될 때, 상기한 바는 실질적으로 숫자 8과 같이 형성된 서로에 대해 90도로 상쇄되는 2개의 밀폐 파이프라인 시스템(17)을 형성한다. 물론, 또한 파이프라인 시스템(17)은 다수의 라인(20)들을 제시한다;단지 배열의 회전 대칭은 상대적으로 용이하게 균형을 잡는 목적을 위해 유지되어야만 한다.

파이프(17)의 축 방향으로 형성된 섹션에 대해 동축을 형성하게 배열된 열교환기(2 및 4)의 파이프(19)는 액체를 운반되는 라인(22, 23, 24, 25)들에 의해 상호 연결되며, 상기 파이프 시스템(22 내지 25)은 잔여 장치(remaining device)에 고정되기 때문에, 라인(22 내지 25)이 함께-회전한다. 액체 열 전송 매체는 정지 분배기(static distributor, 26)의 피드(feed, 26′)를 경위하여 파이프라인 시스템(17)로 공급된다; 그 이후에 열교환매체는 열교환기(2)로 라인(22)을 통해 동시-회전 분배기(27)를 통하여 전달되고(relayed), 열교환기에서 동시-회전 분배기(co-rotating distributor,27)로 라인(23)을 통해 반송되며 가열된다. 그 이후에 가열된 열 전송 매체는 고정 분배기(26) 또는 방출부(26″)에 의해 가열기 순환 시스템으로 전달된다.

열 교환기(4)의 냉각 열 교환 매체는 고정 분배기(28)의 피드(feed, 28′)를 통하여 인도되며, 열이 가스 작동 매체로 방출되는 저압 열 교환기(4)로 상기 동시-회전 라인(25)에서 다른 동시-회전 분배기(29)에 전달된다. 그 이후에 열교환 매체가 방출부(28″)에 의해 장치에서 나간(exit) 후에, 열교환 매체는 동시-회전 분배기(29)로 동시-회전 라인(25)을 통하여 보내지고, 그 이후에 정지 분배기(28)로 보내진다.

다시 모터(5)는 압축기(1), 열교환기(2, 4) 및 이완 장치(3)에 동력을 전달하기 위해서 제공된다.

도 8 및 도 9는 도 5 내지 도 7의 장치와 유사한 전형적인 실시예를 도시하지만, 여기에서 이완 파이프(20)는 횡단면 구조에 관하여 반원형으로 형성되지 않고, 회전 축(30)의 중심점(midpoint)을 향해 계속해서 감소하는 반경을 형성한다. 상기한 바는 임의의 발생하는 터뷸런스(turbulence)를 감소시키는 것이 가능하게 하며, 작동 매체의 단조로운 낙하, 지연된 운동을 형성한다. 추가적으로, 도 8 및 도 9에 도시된 전형적인 실시예는 서로에 대해 60°로 갈라져 나오는(offset) 2개의 독립 파이프라인 시스템을 설명하며, 3번의 압축, 이완이 파이프라인 시스템(17)마다 발생한다.

도 10은 작동 매체의 순환이 회전 방향에 마주보게 만곡된 파이프(20)에 의해 구현되지 않고 압축기 또는 터빈으로 작동하는 버킷 휠(bucket wheel, 31)에 의해 구현되는 것을 제외한 도 5 내지 도 7에 장치와 주요부분에서 대응되는 다른 전형적인 실시예를 도시한다. 버킷 휠(31)은 제자리에서 고정되며, 버킷 휠(31)을 둘러싼 파이프(17)로의 상대적 회전 운동은 파이프(17)에서 작동 매체의 유동을 생성한다.

상기 경우에서, 작동 매체는 휠(31)로 수송되고 이완 장치(3)의 파이프(17)에서 이완되며, 버킷 휠(31)은 커버(33)에 의해 밀폐되는 휠 케이싱(wheel casing, 32) 내에 수용된다. 버킷 휠(31)이 베어링(bearings, 34)을 통하여 회전하지만 휠 케이싱 외부에서 비틀림-저항 방식으로 배열된 영구 자석(permanent magnets, 36)과 상호작용하는 영구 자석(35)을 제시하도록, 휠(31)이 설치되어, 제자리에 버킷(bucket wheel, 31)이 고정된다. 상기 영구 자석은 고정 샤프트(static shaft,37) 상에 배열된다.

도 11은 도 10에 설명된 전형적인 실시예와 매우 유사하게 형성된 장치를 도시하지만, 여기에서 압축기 및 이완 장치(1 및 3)의 파이프(17)에서 버킷 휠(31)의 상대 회전 운동이 모터(38)에 의해 생성된다. 모터(38)는 비틀림-저항 방식으로 동시-회전 분배기(27)에 고정된다. 여기에서 동력은 샤프트(40)에 수용된 라인(39)을 통하여 제공된다. 샤프트(40)는 전원 변속기의 목적을 위해 접촉부(41)를 형성한다. 일 실시예에서, 단지 모터(5)에 의해 공급된 동력은 회전 시스템의 공기 저항을 극복하기 위해 형성된다.

결과적으로, 그러므로 공기 저항을 극복하기 위해 요구되는 동력은 액체 열 전달 매체의 순환 시스템에서 터빈을 이용함으로써 생략될 수 있고, 순환으로부터 상기 동력을 제거한다. 순환으로부터 상기 동력을 제거하는 그 이후에 공기 저항을 극복하기 위해 요구되는 동력은 순환 액체 열 전달 매체를 구동하는 펌프에 의해 추가적으로 제공된다.

Claims (26)

1. 밀폐된 열역학적 순환 과정을 통과하는 작동매체를 이용하여 기계적 에너지에 의해 저온의 열에너지를 고온의 열에너지로 변환하기 위한 방법 및 그와 반대로 변환하기 위한 방법에 있어서,
   상기 작동 매체는 전 순환 과정에 걸쳐서 가스이고, 상기 작동 매체로 비활성 기체(noble gas)가 사용되며, 밀폐된 순환 과정의 압력이 50 바(bar) 이상이 측정(measured)되고,
   상기 순환 과정은
   -작동 매체의 단열 압축 단계
   -열 교환 매체에 의해 작동 매체로부터 나온 열의 등압 전도 단계
   -작동 매체의 가역 단열 이완 단계
   -열 교환 매체에 의해 작동 매체로 열의 등압 공급단계를 포함하며,
   등 엔트로피 지수 카파~1(Kappa ~1)을 가지는 액체 열 교환 매체가 사용되고, 작동 매체를 순환하는 하나이상의 회전가능하게 장착된 파이프라인 시스템(17)이 제공되고, 상기 파이프라인 시스템(17)에는 상기 파이프라인 시스템(17)에 대해 회전하는 버킷 휠(31)이 통합되며, 상기 버킷 휠(31)은 압축기, 이완 터빈 또는 가이드 날개로 형성되고, 상기 버킷 휠(31)에는 모터 또는 제너레이터가 제공되며,
   압축 또는 이완 동안 상기 작동 매체의 압력을 증가시키거나 감소시키기 위해서, 상기 작동 매체는 압축기(1) 및 이완 장치(3)의 회전 축에 대해 외부 또는 내부 반경 방향으로 전달되며, 상기 작동 매체에 작용하는 원심력을 증가시키거나 감소시키고,
   밀폐 순환 과정 동안 열교환기(2, 4)의 열 교환 매체뿐만 아니라 압축기(1) 및 이완 장치(3)의 작동 매체가 열의 공급 및 제거의 목적을 위해 회전 축 주위로 수송되어 작동 매체의 흐름 에너지가 밀폐된 순환 과정동안 유지되고,
   압축기의 임펠러(1', 3')와 이완 장치(1, 3)는 공유된 토크 샤프트(5')에 장착되고 케이싱(6)은 압축기(1)의 임펠러(1') 및 이완 장치(3)와 동시회전하고, 열교환기(2, 4)는 각각 액체 열 교환 매체를 보유하는 하나이상의 파이프(9)를 가지고, 상기 열교환기(2)의 파이프(9)는 케이싱(6)내로 통합되며, 상기 파이프(9)는 회전축에서 일정 거리로 배치되고, 동시-회전 케이싱(co-rotating casing, 6) 내부 외측 주변부상에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 매체는 전체 순환 과정 동안 가스인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 크립톤, 크세톤, 라돈, 아르곤 또는 상기 기체들의 혼합물과 같은 비활성 기체가 작동 매체로써 이용되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 밀폐된 순환 과정에서 압력은 70 바(bar) 이상으로 측정되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 순환 과정은 가스 작동 매체의 임계점에 근접하게 실행되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 열이 등엔트로피 지수 카파~1(Kappa ~1)의 액체 열 교환 매체를 이용하여 제거되고 공급되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
7. 등 엔트로피 지수 카파~1(Kappa ~1)을 가지는 액체 열 교환 매체로 열을 공급하거나 제거하기 위해 압축기(1), 이완 장치(3) 및 개별 열 교환기(2, 4)를 포함하여 제 1 항에 따른 방법을 실행하기 위한 에너지 변환 장치에 있어서,
   상기 압축기 또는 이완 장치(1,3)는 회전축 주위를 회전할 수 있도록 장착되고, 상기 압축기 또는 이완 잔치(1, 3)는 압축기(1)의 작업 매체가 회전축에 대해 반경방향 외부로 운반되거나 이완 장치(3)의 반경 방향 내부로 운반되는 방법으로 형성되고, 이에따라 작동 매체에 작용하는 원심력을 증가시키거나 감소시킴으로써 압력이 증가하거나 감소하도록 하고,
   작동 매체를 순환하는 하나이상의 회전가능하게 장착된 파이프라인 시스템(17)이 제공되고, 상기 파이프라인 시스템(17)에는 상기 파이프라인 시스템(17)에 대해 회전하는 버킷 휠(31)이 통합되며, 상기 버킷 휠(31)은 압축기, 이완 터빈 또는 가이드 날개로 형성되고, 상기 버킷 휠(31)에는 모터 또는 제너레이터가 제공되며,
   열교환기(2, 4)가 압축기(1) 및 이완장치(3)와 함께 회전하도록 형성되고, 작동 매체가 폐쇄 순환과정동안 회전축 주위에 전달되어 작동 매체의 유동 에너지(flow energy)가 보존되고,
   압축기의 임펠러(1', 3')와 이완 장치(1, 3)은 공유된 토크 샤프트(5')에 장착되고 케이싱(6)은 압축기(1)의 임펠러(1') 및 이완 장치(3)와 동시회전하고, 열교환기(2, 4)는 각각 액체 열 교환 매체를 보유하는 하나이상의 파이프(9)를 가지고, 상기 열교환기(2)의 파이프(9)는 케이싱(6)내로 통합되며, 상기 파이프(9)는 회전축에서 일정 거리로 배치되고, 동시-회전 케이싱(co-rotating casing, 6) 내부 외측 주변부상에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 열 교환기(2, 4) 각각은 액체 열 전달 매체를 운반하는 하나 이상의 파이프(9)로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 이완 장치(3)는 열 교환기(2,4)를 통하여 압축기(1)로 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 압축기 및 이완 장치 (1,3)의 임펠러(1′,3′)는 공유된 토크 샤프트(5′) 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 케이싱(6)은 압축기(1)의 임펠러(1′) 및 이완 장치(3)와 동시 회전하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
12. 제 9 항에 있어서, 고정식 케이싱(6′) 에 의해 둘러싸진 임펠러(1′,3)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
13. 삭제
14. 제 7 항에 있어서, 상기 압축기(1) 및 상기 이완 장치(3)를 둘러싸는 비틀림-저항 케이싱(8)이 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 두 개의 열 교환기(2, 4)는 상기 케이싱(8) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
16. 제 7 항에 있어서, 상기 작동 매체를 순환시키는 하나 이상의 회전가능하게 설치된 파이프라인 시스템(17)이 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 파이프라인 시스템(17)은 반경 방향으로 형성된 선형 압축 파이프(18)를 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 파이프라인 시스템(17)은 토크 샤프트(5´)의 회전 방향에 대해 만곡된 이완 파이프(20)를 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 이완 파이프(20)는 횡단면에서 원형으로 만곡되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
20. 제 18 항에 있어서, 상기 이완 파이프(20)는 회전 중심(30)을 향해 계속적으로 감소하는 횡단반경을 가지는 만곡부를 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
21. 제 16 항에 있어서, 상기 파이프라인 시스템(17)은 파이프 시스템(17)에 대해 회전하는 터빈을 통합한 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 터빈은 비틀림-저항 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
23. 제 21 항에 있어서, 상기 터빈은 상기 파이프 시스템(17)으로 상대 운동을 발생시키기 위한 전기 모터(38)가 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
24. 제 16 항에 있어서, 상기 파이프 시스템의 축 방향으로 형성된 섹션들은 상기 열 교환기(2,4)와 같은 축으로 배열된 파이프(19)들에 의해 둘러싸진 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
25. 제 10 항에 있어서, 전기 모터 또는 제너레이터(5)는 토크 샤프트(5´) 또는 파이프라인 시스템(17)과 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
26. 삭제

Images