KR102001123B1 - 로터리 스터링-사이클 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

밀폐식으로 밀봉가능한 하우징; 및 제2 로터리 유체 변위 유닛과 유체 연통하는 제1 로터리 유체 변위 유닛─각각은 상기 하우징 내에 별도의, 유체식으로 밀봉되는 부분에 동작가능하게 장착되고 그리고 사용 동안 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 주기적인 변경을 제공하도록 적응됨─을 포함하는 스터링-사이클 장치가 제공된다. 게다가, 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 중 각각 하나는 압축기 기구─상기 작동 유체의 제1 부분을 수용하도록 적응되는 제1 압축기 작동 챔버, 및 상기 작동 유체의 제2 부분을 수용하도록 적응되는 적어도 제2 압축기 작동 챔버를 가지며, 상기 제1 압축기 작동 챔버는 제1 출구 포트를 포함하며, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버는 제2 출구 포트를 포함함─를 포함한다. 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 중 각각 하나는 팽창기 기구─상기 작동 유체의 상기 제1 부분을 수용하도록 적응되는 제1 팽창기 작동 챔버, 및 상기 작동 유체의 상기 제2 부분을 수용하도록 적응되는 적어도 제2 팽창기 작동 챔버를 가지며, 상기 제1 팽창기 작동 챔버는 제1 입구 포트를 포함하며, 그리고 상기 제2 팽창기 작동 챔버는 제2 입구 포트를 포함함─; 및 상기 제1 압축기 기구에 상기 제1 팽창기 기구를 작동가능하게 그리고 작동식으로 커플링시키도록 적응되는 드라이브 커플링 조립체를 더 포함한다. 드라이브 커플링 조립체는 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛의 회전 각의 미리 정해진 간격들로, 상기 제1 압축기 작동 챔버와 상기 제1 팽창기 작동 챔버 사이에, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버와 상기 제2 팽창기 작동 챔버 사이에 미리 정해진 순서의 주기적인 유체 교환을 제공하도록 적응되는 회전 밸브 기구를 더 포함한다. 스터링-사이클 장치는 상기 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 상기 제1 미리 정해진 주기적인 변경이 미리 정해진 위상 각에 의해, 사용 동안, 상기 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 상기 제2 미리 정해진 주기적인 변경에 대해 오프셋되도록, 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛에 작동가능하게 커플링되고 그리고 상기 제2 로터리 변위 유닛과 상기 제1 로터리 변위 유닛의 회전 운동을 동기식으로 링킹하도록 적응되는 액추에이터를 더 포함한다.

Description

로터리 스터링-사이클 장치 및 그 방법

본 발명은 일반적으로, 스터링-사이클(stirling-cycle) 기계들의 분야 및 더 구체적으로 스터링 엔진들(engines), - 쿨러들(coolers) 또는 -열 펌프들(pumps)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 로터리 팽창기(rotary expander)- 및 압축기 기구들을 활용하는 피스톤 없는(pistonless) 스터링-사이클 기계들에 관한 것이다.

스터링 사이클은, 열적 에너지를 기계적 작동으로의 순 변환(net conversion)이 존재하도록, 특히, 상이한 온도들에서 공기 또는 다른 가스(즉, 작동 유체)의 주기적인 압축 및 팽창을 포함하는 열역학적 사이클이라는 것이 일반적으로 공지되어 있다. 사이클이 가역적인 것이 또한 공지되어 있으며, 이는 기계적인 파워가 공급된다면, 장치가 별개의 가열 또는 냉각을 위한, 그리고 심지어 극저온 냉각을 위한 열 펌프 또는 냉각 기계로서 기능을 할 수 있다는 것을 의미한다.

더 구체적으로, 스터링 사이클은, 일반적으로, 영구적 기체 작동 유체를 활용하는 폐쇄된 축열식(regenerative) 사이클이다. 여기서, “폐쇄된-사이클”은, 작동 유체가 열역학적 시스템 내에 영구적으로 포함되는 것을 의미하며, 그리고 용어 “축열식”은, 또한 축열기로 불리는 내부 열 교환기의 사용을 지칭한다. 축열기는, 내부 열(이는, 그렇지 않으면, 시스템을 통해 비가역적으로 통과할 것임)을 재활용함으로써 디바이스의 열적 효율을 증가시킨다. 많은 다른 열역학적 사이클들과 같은 스터링 사이클은 4개의 주 프로세스들[(i) 압축, (ii) 열 부가, (iii) 팽창, 및 (iv) 열 제거]을 포함한다. 그러나, 실제 엔진들에서, 이러한 프로세스들은 분리되지 않으며, 오히려 이러한 프로세스들은 중첩한다.

크랭크-드라이브(crank-drive) 기구를 갖는 통상적인 스터링 엔진(10)의 일 예는 도 1에서 도시된다. 여기서, 단일의 가스 회로는 3개의 열 교환기들, 가열기(16), 축열기(18) 및 냉각기(20)의 채널들을 통해 서로 연결되는 2개의 실린더들(12, 14)로 만들어진다. 가열기(16)의 외부 표면은 고온 환경에 대한 노출로 인한 상승되는 온도를 가지며, 그리고 그 기능은, 작동 유체가 가열기(16)의 채널들을 통해 유동하는 동안, 열을 엔진 내측에 있는 작동 유체 내로 전달하는 것이다. 냉각기(20)의 외부 표면은 상대적으로 낮은 온도 환경에 노출되며, 그리고 그 기능은, 작동 유체가 냉각기(20)의 채널들을 통해 유동하는 동안, 작동 유체로부터 열을 방출하는 것이다.

축열기(18)는, 열 손실들(그렇지 않다면, 이는 가열기(16) 및 냉각기(20)가 직접 접촉하였다면, 발생했을 것임)을 방지하기 위해 가열기(16)와 냉각기(20) 사이에 도입된다. 이러한 예의 축열기(18)는 금속성 케이싱에 에워싸이는 다공성 매체를 포함한다. 이러한 다공성 매체는 높은 열 용량을 갖는 재료로 만들어지고, 이상적으로 무한 반경 방향(infinite radial)- 그리고 제로(zero) 축 방향 열적 전도도(conductance)를 가져야 한다. 다공성 매체는 열 스펀지(sponge)로서 작용하는 것으로 이해될 수 있으며, 여기서 열은, 축열기의 재료로 전달되고 작동 유체가 “고온” 구역으로부터 “냉간” 구역으로 유동할 때, 저장된다. 작동 유체가 반대 방향으로 유동할 때, 저장된 열은 축열기로부터 작동 유체로 복귀된다. 단열(thermo-insulation)은 열 손실들을 더 감소시키기 위해 그 케이싱의 벽들로부터 다공성 매체를 분리시키는 데 보통 사용된다.

열 입력 위상 동안, 대부분의 작동 유체, 및 열 방출 위상 동안 냉간 구역(즉, 냉간 실린더(14) 및 냉각기(20))에 있는 대부분의 작동 유체를 고온 구역들(즉, 고온 실린더(12) 및 가열기(16))에 제공하기 위해, 고온 실린더(12)에서의 피스톤(22)은 변위(displacement)에서의 보통 90° 내지 110°(크랭크샤프트 각의 정도들)만큼 저온 실린더(14)의 피스톤(24)을 안내하고, 따라서 고온 실린더(12)의 체적은 그의 변경에서 90° 내지 120°만큼 냉간 실린더(14)의 체적을 안내한다.

도 2a는 고온 실린더(12)(파선)에서 그리고 냉간 실린더(14)(실선)에서 체적 변화(변경)의 예시적 다이어그램을 도시한다.

한 세트의 열 교환기들(가열기(16), 축열기(18), 및 냉각기(20))에 의해 연결되는 2개의 가변 체적들(고온 및 냉간), 90° 내지 110°(도)만큼 냉간 공간에서 체적의 변경을 안내하는 고온 공간에서의 체적의 변경, 및 한 세트의 열 교환기들(16, 18, 20)의 채널들을 통한 가변 고온 공간과 냉간 공간 사이의 작동 가스의 왕복 운동 유동은, 스터링 사이클 기계들의 특징들을 특징으로 한다. 가변의 고온 또는 팽창 체적(파선) 및 냉간 또는 압축 가변 체적(실선)에 대한 통상적인 PV-다이어그램들은 도 2b에서 도시된다.

따라서, 가열기(16)가 상대적으로 높은 온도 환경에 노출되며, 그리고 냉각기(20)가 상대적으로 낮은 온도 환경에 노출된다면, 기계는 파워(power)를 가하는 엔진으로서 작동한다(즉, 고온 또는 팽창 공간 영역은 PV 다이어그램에서 냉간 또는 압축 공간 영역보다 더 큼(도 2b 참조)).

그러나, 냉각기(20)가 상대적으로 낮은 온도 환경에 노출되며, 그리고 피스톤들이 전기 모터(예컨대, 샤프트를 통해) 또는 임의의 다른 가동 소스들을 사용하여 구동된다면, 열 교환기(16) 및 가변 팽창 공간(12)에서의 작동 유체의 온도는 상당히(예컨대, 극저온 레벨들로 아래로) 감소될 것이어서, 기계는 냉간 상태를 생성하는 냉각 디바이스로서 동작한다(즉, 팽창 공간 영역은 PV 다이어그램에서 압축 공간 영역보다 더 작음).

대안적으로, 열 교환기(16)가 상대적으로 낮은 온도 환경에 노출되며, 그리고 피스톤들이 전기 모터(예컨대, 샤프트를 통해)를 사용하여 또는 임의의 다른 가동 소스들을 사용하여 구동된다면, 냉각기(20)에서의 열 방출의 온도는 열 교환기(16)의 온도보다 상당히 더 높을 것이며, 그리고 기계는 열 펌프(즉, 낮은 온도에서 열을 흡수하고 높은 온도에서 열을 운반시킴)로서 작동하고 있다.

실린더들에서의 피스톤들의 왕복 운동 모션에 의한 종래의 스터링 기계들의 사이클은, 보통 샤프트 각의 360도 후에 완료된다.

그러나, 실린더들에서의 왕복 운동 피스톤 모션을 갖는 종래의 스터링 기계들(운동학적 드라이브 엔진들 또는 자유 피스톤 왕복 운동 기계들)은, 예를 들어, 다음과 같은 상당한 단점들이 발생한다:

실린더들에서의 상대적으로 큰 체적들 및 가변 체적들의 큰 특정 영역들(이는 기계들의 더 큰 중량 및 치수들을 초래함);

크랭크-케이스의 상대적으로 큰 체적 및 중량, 그리고 크랭크-드라이브 또는 다른 유형들의 운동학적 드라이브 기구들의 복잡성;

피스톤들의 상대적으로 낮은 선형 속도들(이는 자유 피스톤 기계들에서의 피스톤 진동들(oscillations)의 주파수 또는 샤프트의 상대적으로 낮은 회전 속도를 초래함(통상적으로, 3000 내지 4000 RPM까지)).

이러한 기계들의 크기 및 중량을 감소시키기 위해, 설계자들은 피스톤들 및 드라이브 기구를 연결시키는 수직 로드의 “밀봉”을 사용하여 엔진의 가스 회로로부터 크랭크-케이스(즉, 소위 가압되지 않은 크랭크-케이스)를 분리시킬 수 있다. 이러한 밀봉은 매우 제한된 수의 스터링 기계들 상에서만 달성되어 있으며, 그리고 심지어 이러한 엔진들에서, 내부 가스 회로에서의 작동 유체는 반복적으로 보충되어야 하는데, 왜냐하면 로드 밀봉시에 작동 유체 누출들을 완전히 제거하는 것은 가능하지 않기 때문이다.

게다가, 자유 피스톤 기계들에서, 종래의 드라이브 기구는 존재하지 않으며, 그리고 피스톤들은 기계들의 내부 가스 회로 및 기계적인 스프링들에서 제공되는 가스 힘들을 활용하여 왕복 운동식으로(reciprocally) 구동된다. 냉간 피스톤의 진동 모션은 피스톤에 희토류(rare-earth) 자석들을 부착시킴으로써 전력으로 변환될 수 있으며, 그리고 이러한 자석들은 구리 코일들(즉, 선형 발전기의 개념에서)에 의해 둘러싸인다. 이러한 기계들은 큰 크랭크케이스를 가지지 않으며, 그리고 엔진은 엔진 케이싱 내측에 선형 교류발전기(alternator)를 배치시킴으로써 완전히 밀봉된다. 그 특정 중량 및 치수들은 종래의 운동학적 기계들의 중량 및 치수보다 상당히 개선되지만, 어느 정도까지, 파워 출력은, 종래의 운동학적 엔진들의 출력보다 상당히 더 낮은 약 3 내지 10kW(킬로와트)로 제한된다. 피스톤들의 진동의 주파수는 2000 내지 4000 RPM(revolutions per minute)에서 샤프트들의 회전 속도에 대응한다.

왕복 운동하는 피스톤 기계들의 문제들에 대한 해결책은 로터리 기계들에 있는 것으로 믿어진다. 따라서, 로터리 스터링 엔진들/기계들의 개량에 대해 상당한 노력을 기울이고 있다.

예를 들어, 종래 기술의 문헌 US13/795,632는 동일한 샤프트 상에 장착되고 절연 배리어에 의해 분리되는 “고온” 및 “냉간” 제로터(gerotor) 세트들을 사용하여 로터리 스터링 사이클 엔진을 설명한다. 배리어는, 가스들이 관통 유동하는 것을 허용하고, 따라서, “고온” 및 “냉간” 제로터 세트들의 변위 챔버들을 연결시키는 축열식 가스 통로를 제공한다. 제로터 스터링-사이클 엔진은 전기 또는 기계적 파워를 생성하기 위해 사용될 수 있다.

종래 기술의 문헌 US05/790,904는 로터리 기구를 가지는 스터링-사이클 기계의 다른 예를 개시한다. 이러한 특정 설계에서, 로터리 베인(vane) 팽창기 및 로터리 베인 압축기는 동일한 샤프트 상에 장착되며, 여기서 각각의 베인 유닛은 4개의 작동 체적들을 형성한다. 팽창기 및 압축기의 대응하는 작동 체적들은 팽창기의 케이싱에 그리고 샤프트에 제공되는 한 세트의 열 교환기들을 통해 연결된다.

이러한 종래 기술의 예들 모두는 스터링-사이클 기계들의 동일한 본질적인 특징들, 즉, 팽창기 및 압축기 유닛들에서의 대응하는 연속적으로 연결된 작동 공간들의 조화(harmonic) 또는 거의 조화인 변경을 가진다. 따라서, 일단 별개의 챔버들이 한 세트의 열 교환기들을 통해 연결된다면, 작동 가스는 왕복 운동 모션으로 대응하는 작동 공간들 사이에서 유동한다. 그러나, 설명된 로터리 기구들이 매우 복잡하고 이들 자체의 단점들이 발생하는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

그 결과, 로터리 기구들, 예컨대 트윈-스크류 또는 스크롤 기구들이 스터링-사이클 기계들에서의 사용을 위해 고려되었다. 트윈-스크류 기구들은, 특히, 압축기들에 대한 매우 대중적인 선택이었다. 도 3a 내지 도 3d는, 예를 들어, 트윈-스크류 압축기(30)의 전체 사이클을 도시한다. 동작(즉, 트윈-스크류 샤프트들의 회전) 동안, 2개의 인터메싱(intermeshing)하고 반대로 회전하는(counter-rotating) 수형 및 암형 로터들은 대응하는 로브들과 에워싸는 케이싱(34) 중간에 작동 유체(32)(예컨대, 가스)를 트래핑한다(trap). 가스는 인터메싱하는 수형 및 암형 로브들에 의해 축 방향으로 전방으로 푸시되어서, 인터메싱하는 수형 및 암형 로브들에 의해 생성되는 챔버의 체적은 점진적으로 감소되며, 트래핑된 가스가 압축되는 것을 유발시킨다.

도 3에서 도시되는 바와 같이, (도 3a) 가스(32)는 흡입 포트(36)를 통해 취해지며, (도 3b) 가스(32)는, 그 후, 축 방향으로 트래핑되고 이동되며, (도 3c) 가스는 인터메싱하는 로브들에 의해 제공되는 감소 챔버 체적에 의해 압축되며, 그리고 (도 3d) 가스(32)는 배출 포트(38)를 통해 배출된다.

도 4a 내지 도 4d는 작동 유체를 압축시키거나 팽창시키기 위해 사용될 수 있는 대안적인 로터리 기구를 도시하며, 특히 도 4a 내지 도 4d는 2개의 네스팅된(nested) 동일 스크롤들(42, 44)을 포함하는 스크롤 압축기(40)를 예시하며, 이 2개의 스크롤들 중 하나는 다른 것에 대해 180도에 걸쳐 회전된다. 전형적인 설계에서, 양자 모두의 스크롤들(42, 44)은 원 인벌류트들(circle involutes)이며, 하나의 스크롤(42) 또는 나선은 회전가능하고 매칭하는 고정된 스크롤(44)에 의해 규정된 경로로 궤도를 형성하도록(orbit) 구성된다. 고정된 스크롤(44)은 압축기 본체에 부착될 수 있으며, 여기서 궤도를 형성하는 스크롤(42)은 크랭크샤프트에 커플링될 수 있어서, 그 궤도를 형성하는 모션은 2개의 스크롤들(42, 44) 사이에서 이동하는 일련의 가스 포켓들을 생성한다. 형성된 포켓들은 가스를 받아들이고(draw), 외부 부분으로부터 스크롤들(42, 44)의 중심으로 가스를 이동시키며, 여기서 가스는 배출된다. 가스가 중심을 향하여 이동됨에 따라, 포켓 체적은 감소되며, 그리고 그 온도 및 압력은 바람직한 배출된 압력으로 증가된다. 스크롤 및 트윈-스크류 기구들 양자 모두가 또한, 회전 방향을 간단히 리버싱함(reversing)으로써 리버스 모드(reverse mode)로, 즉 팽창기로서, 동작될 수 있는 것이 이해된다.

가스들의 압축 또는 팽창을 위해 사용되는 로터리 기계의 다른 예는 도 5에서 도시되는 바와 같이, (예를 들어, VERT Rotors Ltd에 의해 제작되는 바와 같이) 원뿔형 스크류 로터리 압축기(50)이다. 기구는 회전하는 내부 로터(52) 및 회전하는 외부 로터(54)로 구성된다. 내부 및 외부 로터들(52, 54)은 동기화 기구를 통해 전기 모터에 의해 구동된다. 내부 및 외부 로터들(52, 54) 양자 모두의 회전 모션은 가스가 회전 축을 따라 이동되는 것을 유발시켜서, 가스를 변위시키고 압축시킨다. 동작 동안, 저압 가스는 큰 직경 측(56) 상의 입구로 공급되며, 이 저압 가스는 그 후 더 높은 압력으로 압축되고 더 작은 직경 측(58) 상의 출구를 통해 배출된다. 이러한 로터리 기구(50)는 또한 리버싱될 수 있어서, 팽창기로서 사용된다. 도 5에서, 로터리 원뿔형 스크류 압축기의 2개의 상이한 기하학적 형상들((도 5a) 2+3 프로파일, 및 (도 5b) 3+4 프로파일)이 도시된다.

그러나, 트윈-스크류, 스크롤 또는 원뿔형 스크류 로터리 기구들에 의해 제공되는 주기적인 체적 변화들은 도 6에서 도시되는 바와 같이 선형 또는 비선형 톱니형(saw-tooth) 함수를 뒤따르며, 도 6에서 팽창(양의 경사) 및 압축(음의 경사) 동안 작동 유체의 체적 변화의 일 예를 도시한다. 여기서, 완만한 경사들은 선형 함수(즉, 직선)에 의해 규정될 수 있지만, 또한 비선형 함수(예컨대, 조화 또는 비조화 함수의 부분)에 의해 설명될 수 있다.

또한, 이러한 로터리 기계들에 의해 제공되는 바와 같이, 작동 유체 체적 변경의 톱니형 모양은 트윈-스크류, 스크롤 또는 원뿔형 스크류 기구들이 스터링 사이클에서 사용하기에 부적합 상태가 되게 한다.

트윈-스크류 또는 스크롤 기구를 활용하는 현재 이용 가능한 열역학적 장치들은 랭킨(Rankine) 또는 주울/브리튼(Joule/Bryton) 사이클에 적용되며, 각각의 사이클은 오직 한 방향으로의 작동 유체의 축 방향 유동을 요구한다. 예를 들어, 종래 기술 문헌들 DE10123 078 또는 AT412663은 트윈-스크류 팽창기를 활용하는 열역학적 사이클들을 설명한다.

특히, DE10123078은 고압 가스가 트윈-스크류 기구 내로 공급되고 그리고 트윈-스크류 기구에 의해 팽창되는 폐쇄된 열역학적 사이클 상에서 동작하는 기계를 개시한다. 작동 유체가 그 후 재가열되고(그리고 재가압되고) 그리고 트윈-스크류 기구로 다시 지향되기 전에, 가스 팽창에 의해 생성된 작동은 회전 트윈-스크류 샤프트들 통해 유용한 기계적 작동으로 변환되며, 여기서 사이클은 반복된다.

로터리 열역학적 엔진(현재 스크롤 기구들을 활용함)의 다른 예가 김영민, 신동길, 이장희 및 박권하에 의한 공보(“Noble Stirling engine employing scroll mechanism”, 11th International Stirling Engine Conference의 학회지, 19-21일 2004년 9월, 67 내지 75쪽)에서 개시되지만, 단순한 분석은, 소위 스털링 엔진이 폐쇄된 주울/브리튼 사이클 상에서 실제로 작동하는데, 왜냐하면 가스 유동은 왕복 운동 모션이 아닌 일 방향으로 순환하기 때문인 것으로 드러내고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 심지어 제공된 작동 유체 체적 변경들이 선형 또는 비선형 톱니형 파형들에 의해 설명된다고 할지라도, 로터리 팽창기 및 압축기 기구들, 예컨대, 트윈-스크류, 스크롤 또는 원뿔형 스크류 기구를 활용하도록 적응되는 스터링-사이클 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 특정한 목적은 현재 이용가능한 스터링-사이클 냉각기보다 더 작게 만들어질 수 있고, 개선된 효율을 가지는 로터리 스터링-사이클 냉각기를 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예(들)는 종래 기술의 하나 또는 그 초과의 상기 단점들을 극복하고자 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따라, 스터링 사이클 장치가 제공되며, 이 스터링-사이클 장치는:

밀폐식으로(hermetically) 밀봉가능한 하우징(housing);

제2 로터리 유체 변위 유닛(rotary fluid displacement unit)과 유체 연통하는 제1 로터리 변위 유닛; 액추에이터를 포함하며, 이 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 각각은 상기 하우징 내에 별도의, 유체식으로 밀봉되는 부분에 동작가능하게 장착되고 그리고 사용 동안 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 주기적인(cyclic) 변경을 제공하도록 적응되며,

상기 각각의 제1 및 제2 로터리 변위 유닛은;

압축기 기구(compressor mechanism)─이 압축기 기구는 상기 작동 유체의 제1 부분을 수용하도록 적응되는 제1 압축기 작동 챔버, 및 상기 작동 유체의 제2 부분을 수용하도록 적응되는 적어도 제2 압축기 작동 챔버를 가지며, 상기 제1 압축기 작동 챔버는 제1 출구 포트(outlet port)를 포함하며, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버는 제2 출구 포트를 포함함─;

팽창기(expander) 기구─이 팽창기 기구는 상기 작동 유체의 상기 제1 부분을 수용하도록 적응되는 제1 팽창기 작동 챔버, 및 상기 작동 유체의 상기 제2 부분을 수용하도록 적응되는 적어도 제2 팽창기 작동 챔버를 가지며, 상기 제1 팽창기 작동 챔버는 제1 입구 포트(inlet port)를 포함하며, 그리고 상기 제2 팽창기 작동 챔버는 제2 입구 포트를 포함함─;

상기 제1 압축기 기구에 상기 제1 팽창기 기구를 동작가능하게 그리고 동작식으로 커플링시키도록 적응되는 드라이브 커플링 조립체(drive coupling assembly)를 포함하며,

이 드라이브 커플링 조립체는:

상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛의 회전 각의 미리 정해진 간격들로, 상기 제1 압축기 작동 챔버와 상기 제1 팽창기 작동 챔버 사이에, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버와 상기 제2 팽창기 작동 챔버 사이에 미리 정해진 순서의 주기적인 유체 교환을 제공하도록 적응되는 회전 밸브 기구를 포함함─;

이 액추에이터는 상기 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 상기 제1 미리 정해진 주기적인 변경이 미리 정해진 위상 각에 의해, 사용 동안, 상기 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 상기 제2 미리 정해진 주기적인 변경에 대해 오프셋되도록(offset), 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛에 작동가능하게 커플링되고 그리고 상기 제2 로터리 변위 유닛과 상기 제1 로터리 변위 유닛의 회전 운동을 동기식으로 링킹하도록(link) 적응된다.

본 발명의 장치는, 2개의 로터리 변위 유닛들의 대응하는 로터리 압축기 및 팽창기 기구들의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수(즉, 체적)의 선형 또는 비선형 "톱니형과 같은” 주기적인 변경들이 페어링되고(paired), 그리고 종래의 스터링-사이클 기계들(예컨대, 피스톤 모션)에 대해 통상적인 주기적인 근-조화(near-harmonic) 함수를 따르는 작동 공간 체적들의 총 변화를 제공하는 방식으로 조합되며, 따라서, 구조적으로 더 간단하고 그리고, 특히, 소형화된 형태로 제공될 때, 개선된 효율 및 성능을 가지는 순정 로터리 스터링-사이클 장치를 제공하는 이점을 제공한다. 본 발명의 장치는, 기계적 작동을 제공하도록 동작될 수 있지만, 또한 역으로 냉각기 또는 열 펌프로서 동작될 수 있다.

유리하게는, 상기 제1 드라이브 커플링 조립체는 적어도 하나의 제1 드라이브 샤프트(drive shaft) 및 상기 적어도 하나의 제1 드라이브 샤프트를 작동가능하게 에워싸도록 구성되는, 내부 벽을 가지는 적어도 하나의 제1 샤프트 케이싱(shaft casing)을 더 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 적어도 하나의 제1 샤프트 케이싱은, 상기 내부 벽의 제1 원주 방향 세그먼트에 걸쳐 연장하는 별개의 미리 정해진 제1 축 방향 포지션들에서 제공되는 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제1 유체 채널들, 및 상기 내부 벽의 제2 원주 방향 세그먼트에 걸쳐 연장하는 별개의 미리 정해진 제2 축 방향 포지션들에서 제공되는 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제2 유체 채널들을 포함할 수 있으며, 그리고 상기 제1 원주 방향 세그먼트는 상기 제2 원주 방향 세그먼트의 반경 방향으로 반대편에서 제공되며, 그리고 상기 제1 축 방향 포지션들 중 각각 하나는 상기 제2 축 방향 포지션들 중 각각 하나로부터 축 방향으로 오프셋된다.

바람직하게는, 상기 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나는 180도보다 더 큰 각에 대응할(subtend) 수 있다.

유리하게는, 상기 적어도 하나의 드라이브 샤프트는, 제1 세트의 2개의 대응하는 도관들─상기 제1 출구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제1 도관 및 상기 제1 입구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제2 도관─을 포함할 수 있으며, 상기 대응하는 상기 제1 및 제2 도관들 중 각각 하나는 제1 미리 정해진 반경 방향 각으로 상기 드라이브 샤프트 밖으로 반경 방향으로 나오는 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들을 가지고, 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제1 개구는 상기 복수의 제1 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응되며, 그리고 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제2 개구는 상기 복수의 제2 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응된다.

더욱 더 유리하게는, 상기 적어도 하나의 드라이브 샤프트는, 적어도 제2 세트의 2개의 대응하는 도관들─상기 제2 출구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제1 도관 및 상기 제2 입구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제2 도관─을 포함할 수 있으며, 상기 대응하는 상기 제1 및 제2 도관들 중 각각 하나는 제2 미리 정해진 반경 방향 각으로 상기 드라이브 샤프트 밖으로 반경 방향으로 나오는 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들을 가지고, 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제1 개구는 상기 복수의 제1 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응되며, 그리고 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제2 개구는 상기 복수의 제2 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응된다.

더욱 더 유리하게는, 상기 제1 유체 채널들 중 각각 하나는 상기 복수의 제2 유체 채널들 중 대응하는 하나에 유체식으로 커플링될 수 있어서, 사용 동안, 상기 제1 압축기 작동 챔버와 상기 제1 팽창기 작동 챔버 사이에서, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버와 상기 제2 팽창기 작동 챔버 사이에서 미리 정해진 순서의 유체 교환을 허용한다.

유리하게는, 제1 및 제2 작동 공간은, 상기 제1 로터리 변위 유닛에서, 유체식으로 커플링된 상기 제1 압축기 작동 챔버 및 상기 제1 팽창기 작동 챔버, 그리고 유체식으로 커플링된 상기 제2 압축기 작동 챔버 및 상기 제2 팽창기 작동 챔버 중 각각 하나를 위해 형성될 수 있다.

유리하게는, 제1 및 제2 작동 공간은, 상기 제2 로터리 변위 유닛에서, 유체식으로 커플링된 상기 제1 압축기 작동 챔버 및 상기 제1 팽창기 작동 챔버, 그리고 유체식으로 커플링된 상기 제2 압축기 작동 챔버 및 상기 제2 팽창기 작동 챔버 중 각각 하나를 위해 형성될 수 있다.

유리하게는, 상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 제1 및 제2 작동 공간 중 각각 하나는, 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 제1 및 제2 작동 공간 중 대응하는 하나와 유체 연통할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링된 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나는, 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널들 중 별개의 하나와 유체 연통할 수 있다.

유리하게는, 상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나와 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나 사이의 각각의 유체 연통은 제1 열 교환기, 축열기(regenerator) 및 제2 열 교환기 중 임의의 하나 또는 임의의 일련의 조합을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열 교환기는 상기 작동 유체에 열을 제공하도록 적응될 수 있으며, 그리고 상기 제2 열 교환기는 상기 작동 유체로부터 열을 제거하도록 적응될 수 있다. 이는, 장치가 상이한 모드들로, 예를 들어, 냉각기로서 또는 열 펌프로서, 제1 및 제2 열 교환기들이 축열기와 조합하여 위치되는 곳에 따라, 작동될 수 있는 이점을 제공한다.

더욱 더 바람직하게는, 상기 축열기는 상기 제1 및 제2 열 교환기 사이에서 유체식으로 커플링될 수 있다.

대안적으로, 상기 제1 열 교환기는 상기 제1 로터리 변위 유닛의 일체형 부분이며, 그리고/또는 상기 제2 열 교환기는 상기 제2 로터리 변위 유닛의 일체형 부분이다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛 각각 하나는 트윈-스크류 기구를 포함할 수 있다.

대안적으로, 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛 중 각각 하나는 스크롤 기구 또는 로터리 원뿔형 스크류 기구를 포함할 수 있다.

다른 대안적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 변위 유닛들 중 각각 하나는 트윈-스크류 기구, 스크롤 기구 또는 로터리 원뿔형 스크류 기구 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들을 동기식으로 구동시키도록 적응되는 모터 및 변속기를 포함할 수 있다.

대안적으로, 상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 중 임의의 하나에 의해 동력공급되도록(powered) 적응되는 모터 및 변속기를 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 압축기 및 팽창기 기구 중 각각 하나, 및 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 압축기 및 팽창기 기구 중 각각 하나는 상기 하우징의 분리되고(discrete) 그리고 밀폐식으로 밀봉된 부분에 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 로터리 변위 유닛은 압축 유닛일 수 있으며, 그리고 여기서 상기 제2 로터리 변위 유닛은 팽창 유닛일 수 있다. 대안적으로, 제1 로터리 변위 유닛은 팽창 유닛일 수 있으며, 그리고 제2 로터리 변위 유닛은 장치, 즉 열 펌프, 냉각기 또는 엔진의 적용에 따라, 압축 유닛일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 (단지 예로써 그리고 어떠한 제한적인 의미가 아님) 이제 설명될 것이다.
도 1은 “고온” 및 “냉간” 실린더들, 가열기, 냉각기 및 축열기를 갖는 운동학적 드라이브 스터링 엔진을 도시한다.
도 2a는 “고온” (파선) 및 “냉간” (실선) 실린더에서 체적 변경의 다이어그램을 도시하며, 그리고 도 2b는 스터링 사이클 엔진에서 “고온” (파선) 및 “냉간” (실선) 실린더들의 PV-다이어그램을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 트윈-스크류 압축기 및 그 동작의 예시를 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 스크롤 기구 압축기의 개략적 예시 및 동작의 원리를 도시하며, 여기서 도 4a는 최대 충전 포지션의 스크롤 기구를 도시하고, 도 4b는 입구 컷-오프에서 스크롤 기구를 도시하며, 도 4c는 배출의 시작시에 스크롤 기구를 도시하고, 그리고 도 4d는 배출의 종료시에 스크롤 기구를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 2개의 상이한 기하학적 형상을 갖는 로터리 원뿔형 스크류 압축기의 예를 도시한다: 도 5a: 2+3 프로파일, 및 도 5b: 3+4 프로파일.
도 6은 팽창(양의 경사) 및 압축(음의 경사) 동안 체적 변경을 설명하는 선형 톱니형 파형의 예시를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는, “팽창” 또는 “냉간” 유닛 측(도 7a)으로부터 그리고 “압축” 또는 “가온” (또는 "고온”) 유닛 측(도 7b)으로부터 본 발명의 장치(트윈-스크류 스터링 냉각기)의 일 실시예의 등축도를 도시한다.
도 8은 도 7에서 도시되는 장치의 내부의 부분 횡단면 등축도를 도시한다.
도 9는 도 7 및 도 8에서 도시되는 장치의 2개의 커플링되는 트윈-스크류 기구들의 등축도를 도시하며, 각각의 트윈-스크류 기구는 압축 챔버 및 팽창 챔버를 포함한다.
도 10은 내부 도관들(파선들) 및 출구들/입구들을 포함하는, 트윈-스크류 기구의 하나의 로터의 등축도를 도시한다.
도 11은 (도 7에서 도시되는 장치에서와 같이) 이들의 내부 압축/팽창 챔버들을 갖는 로터리 유닛들의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 12는 회전-밸브 기구의 내부 도관들을 노출시키는 샤프트의 근접 단면도를 도시한다.
도 13은 트윈-스크류 기구의 수형(male) 로터 샤프트의 단면도를 도시한다.
도 14는 내부 도관들의 개구들을 도시하는, 도 13에서 수형 로터 샤프트의 평면도를 도시한다.
도 15는 원주 방향 그리고 축 방향으로 오프셋된 유체 채널들을 포함하는 회전 밸브 기구의 케이싱의 일부분의 등축 단면도를 도시한다.
도 16은 회전 밸브 기구의 로터 샤프트를 둘러싸는 케이싱에 배열되는 유체 채널 및 그 인접한 밀봉 링들의 근접 단면도를 도시한다.
도 17은 샤프트, 케이싱 및 도관들의 회전 밸브 조립체의 상세 단면 근접도를 도시한다.
도 18은 대응하는 세트들의 열 교환기들을 통해 서로 연결되는 작동 공간들을 형성하는, 본 발명의 장치의 “냉간” 로터리 변위 유닛(도 18a)에서 그리고 “가온” 로터리 변위 유닛(도 18b)에서 대응하는 압축기 및 팽창기 공간들을 연결시키는 파이프들을 도시한다.
도 19는 “냉간” 및 “가온” 로터리 변위 유닛들의 2개의 대응하는 작동 공간들 사이에 유체 연결들의 계통도를 도시한다.
도 20은 “냉간” 유닛에서 압축기(실선) 및 팽창기(파선)의 제1 챔버에서 체적 변경의 다이어그램을 도시한다.
도 21은 2개의 작동 공간들의 형성을 예시하는, 사이클에 걸쳐 “냉간” 유닛의 제1 챔버에서 체적 변경의 다이어그램을 도시한다.
도 22는 “냉간”(실선) 및 “가온"(파선) 유닛에서 페어링된(paired) 작동 공간 체적 변경들의 다이어그램을 도시한다.
도 23은 도 21의 페어링된 체적 변경의 총합(sum)의 다이어그램을 도시한다.
도 24는 본 발명의 냉각 스터링 사이클 장치의 팽창(실선) 및 압축(파선) 공간의 PV-다이어그램을 도시한다.
도 25는, 별개의 암형 또는 수형 로터들 중간에 위치되는 단일의 공통적인 수형 또는 암형 로터를 갖는, 본 발명의 스터링-사이클 장치를 위한 트윈-스크류 기구의 대안적인 멀티-블록 구성을 도시한다.
도 26은 3개의 로브 배열을 갖는 로터들을 활용하는 트윈-스크류 기구들의 대안적인 세트를 도시한다.
도 27은 4개의 로브 배열을 갖는 로터들을 활용하는 트윈-스크류 기구들의 다른 대안적인 세트를 도시한다.
도 28은 회전 밸브 조립체의 대안적인 일 실시예의 등축도를 도시하며, 여기서 원주 방향 유체 채널들은 회전 드라이브 샤프트 상에 제공된다.
도 29는 도 28에서 회전 밸브 조립체의 대안적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 30a 내지 도 30c는 내부 도관들 및 드라이브 샤프트의 외부 표면에 제공되는 원주 방향 유체 채널들을 노출시키는 드라이브 샤프트의 일부분의 등축도(도 30a), 측면도(도 30b), 및 단면도(도 30c)를 도시한다.
도 31은 대응하는 스크롤 기구들을 활용하는 본 발명의 장치의 대안적인 일 실시예의 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 “냉간” 및 “가온” 유닛들은 열 교환기 조립체(냉간 열 교환기, 축열기(regenerator), 가온 열 교환기)를 통해 유체적으로 커플링된다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 로터리 스터링-사이클 냉각기에 대해 설명될 것이다. 그러나, 일반적으로, 본 발명의 로터리 스터링-사이클 장치가 스터링 엔진 모드(즉, 기계적 작동의 출력) 또는 열-펌프(열의 출력)에서 동일하게 잘 작동할 것인 것이 이해되어야 한다.

또한, 메싱(meshing) 수형 및 암형 스크류 로터들에는 로브들의 수에 대한 상이한 비율들이 제공될 수 있다. 이론적으로, 이 비율은 ‘1’(즉, ‘2/2’)에서 시작할 수 있지만, 실제로 다른(예컨대, 더 큰) 비율들이 사용될 수 있다. 실제로 사용되는 비율들의 통상적인 예들은 ‘3/4’, ‘3/5’, ‘4/6’, ‘5/7’, ‘6/8’ 등일 수 있다. 또한, 스크류 로브들은 대칭 또는 비대칭 프로파일을 가질 수 있다. 본 발명의 기본 원리를 예시하는 단일의 목적을 위해, 예시적 실시예는 ‘2/2’ 비율(즉 비율은 ‘1’과 동일함) 로브들을 갖는 더 단순화된 대칭으로 프로파일링된 스크류 로터들을 포함한다. 또한, 최적의 성능이 단지 임의의 다른(즉, 더 적합한) 비율 및/또는 로브 프로파일(즉, 비대칭 또는 대칭)을 활용하여 달성될 수 있는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 그러나, 본 발명의 기본 원리는 임의의 적합한 로브 수 비율 및 로브 프로파일에 대해 적용가능하다.

도 7 내지 도 11을 이제 참조하면, 본 발명의 스터링-사이클 장치(100)의 제1 실시예는 “팽창” 또는 “냉간” 유닛(102) 및 “압축” 또는 “가온” 유닛(104)을 포함한다. “냉간” 유닛(102) 및 “가온” 유닛(104) 중 각각 하나는 압축기 기구(106) 및 팽창기 기구(108)를 더 포함한다. “냉간” 유닛(102) 및 “가온” 유닛(104)은 4개의 세트들의 열 교환기들을 통해 유체 연통하며, 각각의 유닛은 직렬로 배열되는 “냉간” 열 교환기(110), 축열기(112), 및 “가온” 열 교환기(114)를 포함한다. “냉간” 유닛(102) 및 “가온” 유닛(104) 중 각각 하나는 트윈-스크류 기구(116 및 118)를 포함하며, 이 트윈-스크류 기구는 도 8 및 도 9에서 도시되는 바와 같이 2개의 트윈-스크류 로터들(120, 122)로 구성된다. 트윈-스크류 기구들(116 및 118) 중 각각 하나는 압축 부분(124, 128) 및 팽창 부분(126, 130)을 가진다. 수형 로터(120) 및 암형 로터들(122) 중 각각 하나의 별개의, 압축 및 팽창 부분들(124, 126, 128, 130)은 단일의 드라이브 샤프트(132 및 134)에 의해 커플링되며, 여기서 팽창 부분(126, 130)은 동일한 압축 부분(124, 128)의 미러-이미지(mirror-image)이다.

게다가, 2개의 압축 부분들(124, 128) 및 2개의 팽창 부분들(126 및 130) 중 각각 하나는 이들 자체의 밀폐식으로 밀봉되는 인클로저(136)에 배열된다(도 11 참조).

모터(도시되지 않음) 및 변속기(transmission)(도시되지 않음)는 별개의 트윈-스크류 기구들(116, 118)에 동작식으로 커플링되며, 여기서 수형 로터(120) 및 암형 로터(122)의 회전은, 예를 들어, 박스(138)에서, 변속기(예컨대, 드라이브 커플링 조립체로서 장착되는 메싱된 기어들)를 사용하여 동기화된다. 박스(138)는 또한, 액추에이터(즉, 효율적이고 제어가능한 전기 모터)를 포함하며, 이 액추에이터는 변속기를 통해 트윈-스크류 기구들을 구동시키도록 적응된다. 대안적으로, 변속기(즉, 베어링들, 기어 기구)는 또한 트윈-스크류 기구들(116, 118)의 샤프트들(132, 134)을 둘러싸는 하우징, 예컨대 케이싱(140)의 상이한 부분에 배열될 수 있다.

이제 도 10, 도 12, 도 13 및 도 14를 참조하면, 하나의 세트의 대응하는 도관들(144, 146, 148, 150)이 수형 로터(120)의 샤프트(132) 내에 제공된다. 압축 부분(124)의 고압 단부 및 팽창 부분(126)의 저압 단부에서, 반경 방향으로 배열되는 유체 포트(152)는 수형 스크류 로터(120)의 2개의 이웃하는 로브들 사이에 제공되고, 그리고 도 12 및 도 13에서 상세히 도시되는 바와 같이, (축 방향 내부 원통형 채널들인) 도관들(144, 146, 148, 150)의 세트의 별개의 하나에 유체식으로 커플링된다. 유체 도관들(144, 146, 148, 150) 중 각각 하나는 제1 출구(154) 및 제2 출구(156)를 가지며, 여기서 유체 도관들(144, 146, 148, 150) 중 각각 하나의 제1 및 제2 출구는 서로 옆에 배열된다.

도 15, 도 16, 및 도 17을 이제 참조하면, 180도 초과의 이들의 중심 각을 갖는 주 원형 섹터들(sectors)의 형태인 제1 세트의 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(158)(즉, 슬롯들)은 수형 로터(120)의 샤프트(132)를 둘러싸는 케이싱의 제1 부분에 별개의 미리 정해진 축 방향 포지션들로 만들어진다(도 15 참조). 180도 초과의 이들 중심 각을 갖는 주 원형 섹터들의 형태인 제2 세트의 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(160)(즉, 슬롯들)은 수형 로터(120)의 샤프트(132)를 둘러싸는 케이싱의 제2 부분에서 별개의 미리 정해진 축 방향 포지션들로 만들어지며(도 15 참조), 여기서 케이싱의 제1 부분은 케이싱의 제2 부분에 반경 방향으로 반대편에 있다(도 15 참조). 게다가, 제1 세트의 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(158) 중 각각 하나는 제2 세트의 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(160) 중 각각 하나로부터 축 방향으로 오프셋된다.

도 17에서 도시되는 바와 같이, 제1 출구들(154) 중 각각 하나는 제1 세트의 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(158) 중 별개의 하나와의 유체 커플링만을 허용하도록 배열되며, 그리고, 제2 출구들(156) 중 각각 하나는 제2 세트의 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(160) 중 별개의 하나와의 유체 커플링만을 허용하도록 배열된다.

도 16에서 도시되는 바와 같이, 모든 유체 채널들(158, 160)은 샤프트(132)를 둘러싸는 케이싱의 부분 내에 배열되는 “O” 유형 밀봉 링들(161)에 의해 분리된다. 게다가, 로터들, 또는 로터들과 케이싱 사이의 갭들에서 잠재적인 가스 누출을 감소시키기 위해, 적합한 밀봉 배열들이 적용될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 스트립들은 로브들의 리지들을 따라 이어지는 홈들에서 제공될 수 있거나, 테프론(Teflon) 및 다른 적합한 밀봉 재료들이 임의의 갭들을 폐쇄하도록 밀봉 스트립들로서 사용될 수 있다. 또한, 수형 로터 및 암형 로터(예컨대, 비금속성 재료), 케이싱 또는 열 교환기들을 제작하기 위해 사용되는 재료들은 스터링 사이클에서 사용되는 온도에 따라 상이할 수 있다.

이제 도 18a 및 도 18b를 참조하면, “냉간” 유닛(102) 및 “가온” 유닛(104) 중 각각 하나에서, 제1 세트의 유체 채널들(158) 중 각각 하나는 유체 연결부(162)(예컨대, 파이프)를 통해 제2 세트의 유체 채널들 중 대응하는 하나와 유체식으로 커플링된다. “냉간” 유닛의 유체 연결부(162) 중 각각 하나는 파이프(164)를 통해 “가온” 유닛의 대응하는 유체 연결부(162)와 유체식으로 커플링된다. 이전에 설명된 바와 같이, 일련의 “냉간” 열 교환기(110), 축열기(112) 및 “가온” 열 교환기(114)는 각각의 파이프(164)의 유체 경로에서 유체식으로 커플링된다.

이제 도 19 내지 도 24를 참조하면, 본 발명의 장치(100)의 동작 동안(즉, 냉각 모드에서), 2개의 트윈-스크류 기구들(116, 118) 중 각각 하나의 드라이브 샤프트들(132, 134)은 모터 및 변속기(도시되지 않음)를 통해 동기식으로 회전된다. 대응하는 수형 로터(120) 및 암형 로터(122)의 로브들 각각은 “냉간” 유닛(102) 및 “가온” 유닛(104)을 위해 2개의 압축 챔버들 및 2개의 팽창 챔버들을 형성하도록 인터메싱한다(intermesh)(즉, 2개의 로브 스크류 로터들이 2개의 별도의 챔버들을 형성할 것임).

압축 부분(128)에서의 챔버들 중 하나(즉, 챔버(1)) 및 “냉간” 유닛(102)의 팽창 부분(130)에서의 챔버들 중 하나(즉, 챔버(1))의 체적들의 변경은 도 20에서 도시된다. 압축 체적(166)의 변경은 팽창 체적(168)의 변경과 동일하지만, 체적 변경이 “냉간” 유닛(102)의 트윈-스크류 기구(118)의 반대편 단부들에 위치되는 트윈-스크류 로터들의 미러-대칭형 쌍에 의해 형성되기 때문에, 체적 변경(168)은 체적 변경(166)에 대해 역위상(anti-phase)이다(도 20 참조).

다음의 내용은 본 발명의 장치(100)에서 발생하는 개별적 프로세스들의 설명이다. 제1 작동 공간(170)은 “냉간” 유닛(102)의 트윈-스크류 기구(118)의 압축 부분(128) 및 팽창 부분(130)의 챔버(1)에 트래핑된(trapped) 작동 유체(즉, 가스)의 왕복 운동 압축 및 팽창 동안 형성되며, 그리고 제2 작동 공간(172)은 “냉간” 유닛(102)의 트윈-스크류 기구(118)의 압축 부분(128) 및 팽창 부분(130)의 챔버(2)에 트래핑된 유체 체적(즉, 가스)의 왕복 운동 압축 및 팽창 동안 형성된다. 동등한 제1 및 제2 작동 공간들(도시되지 않음)은 “가온” 유닛(104)의 트윈-스크류 기구(116)에 의해 형성된다.

프로세스의 설명을 간소화하기 위해, “냉간” 유닛(102)의 챔버(1)는 냉각 기계의 이 실시예에 대한 대표적인 예로서 고려된다. 전체적인 사이클(즉, 트윈-스크류 로터들(116, 118)의 360도 회전)은 3개의 구별되는 위상들로 분할될 수 있으며:

위상 1:

지속 기간은 샤프트들(132, 134)의 0도의 회전으로부터 오프셋된 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(158, 160)의 중첩의 시작까지이다. 여기서, 별개의 제1 세트의 유체 채널들(158)은 대응하는 제1 출구들(154)과 정렬된 상태로 유지된다. 제1 세트의 유체 채널들(158)은 외부 유체 연결부들(162)을 통해 대응하는 제2 세트의 유체 채널들(160)에 유체식으로 연결된다(도 18 참조). 또한, 제2 유체 채널들(160)은 별개의 제2 출구들(156)로부터 오정렬된다(도 12 및 도 19 참조). 본질적으로, 위의 페어링된 유체 채널들(158, 160) 및 대응하는 축 방향으로 오프셋된 제1 및 제2 출구들(154, 156)은 시기적절한 방식으로 챔버(1)의 팽창 부분(130) 및 압축 부분(128)을 분리시키고 그리고 연결시키도록 적응되는 회전 밸브 기구로서 기능한다. 그래서, 이러한 제1 위상 동안, “냉간” 유닛(102)의 팽창 부분(130)의 챔버(1)에 위치되는 가스는 대략적으로 전체 팽창의 절반으로 팽창되어 있으며, 그리고 “냉간” 유닛(102)의 압축 부분(128)의 챔버(1)에 위치되는 가스는 대략적으로 전체 압축의 절반으로 압축되어 있다.

위상 2:

지속 기간은 중첩의 시작으로부터 오프셋되고 그리고 부분적으로 원주 방향 유체 채널들(158, 160)의 중첩의 완료까지이다. 사이클의 중간에 근접하게, 유체 연결이 압축 부분(128)의 챔버(1) 체적과 팽창 부분(130)의 챔버(1) 체적 사이에서 발생한다. 이러한 위상의 지속 기간은 유체 채널들(158, 160)의 2개의 축 방향 오프셋되고 부분적으로 원주 방향 제1 및 제2 세트들 사이에 미리 규정된 중첩에 의해 미리 정해진다. 정확한 중첩은 압축 부분(128) 및 팽창 부분(130)의 챔버(1) 체적들 사이의 가스 교환을 “원활하게 하도록”, 즉, 압축 부분(128)과 팽창 부분(130) 사이에 압력 충격들을 최소화하거나 심지어 회피하도록 최적화된다.

위상 3:

지속 기간은 중첩의 완료로부터 사이클의 전체 360도까지이다. 이러한 위상 동안, 별개의 제2 세트의 유체 채널들(160)은 대응하는 제2 출구들(156)과 정렬된 상태로 유지된다. 위상 1의 설명에서 언급된 바와 같이, 제1 세트의 유체 채널들(158) 중 각각 하나는 외부 유체 연결부들(162)을 통해 제2 세트의 유체 채널들(160) 중 대응하는 하나에 유체식으로 연결된다(도 18 및 도 19 참조). 제1 유체 채널들(158)은 대응하는 제1 출구들(154)로부터 오정렬된다. 따라서, “냉간” 유닛(102)의 팽창 부분(130)의 챔버(1)에 위치되는 가스는 대략적으로 절반으로부터 전체 팽창으로 팽창되어 있으며, 그리고 “냉간” 유닛(102)의 압축 부분(128)의 챔버(1)에 위치되는 가스는 대략적으로 절반으로부터 전체 압축으로 압축되어 있다.

이전에 언급된 바와 같이, 중첩 기간이 완료된 후에, 압축 부분(128)에서 사이클의 제1 절반 동안 압축되어 있는 상태에 근접한 가스의 체적은 사이클의 제2 절반 동안 팽창 부분(130)에서 팽창될 것이다. 동시에, 팽창 부분(130)에 팽창된 상태에 근접한 가스의 체적은 사이클의 제2 절반 동안 압축 부분(128)에서 압축 프로세스를 겪을 수 있다. 따라서, 2개의 형성된 작동 공간들(170 및 172)에서 체적 변경의 규모는 대략적으로 동일하다(도 21 참조). 또한(다시, 이전에 언급된 바와 같이), 트윈-스크류 기구들(116, 118)의 로터들(120, 122)이 2개의 로브들을 가지기 때문에, 2개의 동등한 작동 공간들은 다른 세트의 도관들(예컨대, 대응하는 제1 세트의 도관들(144, 146), 대응하는 제2 세트의 도관들(148, 150))의 대응하는 제1 출구 및 제2 출구와 별개의 제1 및 제2 유체 채널들을 페어링함으로써 팽창 부분(130) 및 압축 부분(128)의 챔버(2)를 위해 형성된다. 그 결과, 2개의 로빙된(lobed) 트윈-스크류 기구들(116, 118)을 위해, 총 4개의 작동 공간들이 “냉간” 유닛(102)에서 형성될 것이며, 그리고 총 매칭하는(matching) 4개의 작동 공간들이 “가온” 유닛(104)에서 형성될 것이다.

도 19는 “냉간” 유닛(102) 및 “가온” 유닛(104) 그리고 2개의 작동 공간들 사이에서 (일련의 열 교환기들(110, 114) 및 축열기(112)를 통해) 대응하는 유체 연결부들의 간소화된 개략도를 도시한다.

게다가, “가온” 유닛(104)의 각각의 작동 공간에서의 체적의 변경이 샤프트 각(위상 각)의 90 내지 120도의 지연과 함께 “냉간” 유닛(102)의 그 대응하는 페어링된 작동 공간에서의 체적의 변경을 뒤따르는 것이 이해된다. 본 발명의 실시예의 이러한 특정 예에서, “가온” 유닛(104)의 각각의 작동 공간에서의 체적의 변경은 90도 지연과 함께 “냉간” 유닛(102)의 그 대응하는 페어링된 작동 공간에서의 체적의 변경을 뒤따른다. 그러나, 다른 위상 각 지연들(phase angles delays)이 스터링-사이클 장치(100)의 출력(예컨대, 냉각 출력)을 제어하도록 “냉간” 유닛(102)과 “가온” 유닛(104) 사이에서 사용될 수 있는 것이 당업자에 의해 이해된다.

“냉간” 유닛(102)에서 페어링된 작동 체적(174) 및 “가온” 유닛(104)에서의 페어링된 작동 체적(176)의 변경들의 통상적인 다이어그램이 도 22에서 도시된다. “가온” 유닛(104)의 트윈-스크류 기구(116)의 회전은 “냉간” 유닛의 트윈-스크류 기구(118)로부터 90도 오프셋된 상태이다.

도 23은 2개의 페어링된 작동 공간들을 위한 2개의 페어링된 작동 체적들(174, 176)의 총합(178)을 도시한다. 2개의 페어링된 작동 체적들(174, 176)의 총합(178)이 종래의 스터링 엔진에서 작동 공간들의 변경에 매우 근접한 것이 볼 수 있다(도 2a 참조). 따라서, (한 세트의 열 교환기들(110, 114) 및 축열기(112)를 통해) “냉간” 유닛(102)의 페어링된 작동 공간들을 “가온” 유닛(104)의 페어링된 작동 공간들과 연결시킬 때, 스터링-사이클 냉각기 장치(100)가 실현될 수 있다. 또한, “냉간” 유닛(102)의 4개의 작동 공간들 및 “가온” 유닛(104)의 4개의 작동 공간들이 존재하기 때문에, 스터링-사이클 냉각기가 4개의 별도 가스 회로들의 동등물을 가질 것이며, 여기서 4개의 가스 회로들의 각각 하나는 도 24에서 도시되는 것과 유사한 압력-체적 다이어그램을 가지며, 여기서 압축 공간(180)을 위한 PV 다이어그램은 팽창 공간(182)(즉, 냉각 모드)을 위한 PV 다이어그램보다 더 큰 것이 이해될 수 있다.

스크류 기구의 대안적인 설계들은 도 25, 도 26, 및 도 27에서 도시되며, 이 스크류 기구의 대안적인 설계들 모두는 본 발명의 예시적 실시예와 함께 설명되는 2개의 로빙된 트윈-스크류 기구(116, 118) 대신에 사용될 수 있다. 대응하는 내부 및 외부 유체 연결들, 도관 및 냉간 유닛 및 고온 유닛을 위한 그리고 냉간 유닛과 고온 유닛 사이의 유체 출구들에 대한 변화들이, 본 발명의 특성화 개념으로부터 벗어남 없이 필요할 수 있는 것이 당업자에 의해 이해된다. 예를 들어, 멀티-블록 스크류 기구(200)는 도 25에서 도시되며, 여기서 단일의 공통적인 수형 또는 암형 로터(202)는 대응하는 수형 그리고 암형 로터들(204 또는 206) 중간에 배열된다.

삭제

게다가, 압축 작동 공간과 팽창 작동 공간 사이의 위상 각이 적합한 냉각/가열 성능 또는 기계적인 작동의 출력을 생성하기에 적합한 경우에, 상이한 로터 로브 기하학적 구성들 및 프로파일들의 범위는, 예를 들어, 2개 초과의 로브들을 갖는 스크류 로터들을 활용하여, 본 발명의 스터링-사이클 장치를 위해 사용될 수 있다. 또한, 로터들 및 로브들이 상이한 직경들 및/또는 길이들로 만들어질 수 있으며, 예컨대, “냉간” 유닛에서의 트윈-스크류 로터들의 직경이 “가온” 유닛에서의 트윈-스크류 로터들의 직경보다 더 크게 만들어지거나, 이와 반대일 수 있어, 열 소스와 열 싱크(sink) 사이에 상대적으로 낮은 온도 차이들로 파워, 냉간 또는 열 생성을 증가시킨다.

도 26은 3개의 로브 로터들(302)을 갖는 2개의 트윈-스크류 기구들(300)의 일 예를 도시하며, 그리고 도 27은 4개의 로브 로터들(402)을 갖는 2개의 트윈-스크류 기구들(400)의 일 예를 도시한다. 수형 샤프트들(회전 밸브 기구)의 중간 단면이 부가의 세트(들)의 대응하는 도관들(예컨대, 부가의 로브마다 하나의 부가의 세트의 대응하는 도관들)을 포함할 수 있으며, 수형 샤프트들의 중간 단면의 각각은 팽창 부분 및 압축 부분의 페어링된 챔버들의 총합을 대응하는 2개의 작동 공간들로 분할시켜서, 샤프트(들)의 회전에 의한 가스 압축/팽창을 요구되는 정기적인 체적 변경에 제공하는 것이 이해된다. 부가의 세트들의 작동 공간들이 (예컨대, 부가의 로브들에 의해 형성되는 부가의 챔버들로부터) 부가의 가스 회로들의 형성을 초래하는 것이 또한 이해된다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에서, 드라이브 커플링 조립체는 도 28 내지 도 30a, 도 30b에서 예시되는 바와 같이, 대안적인 밸브 기구(502)를 포함할 수 있다. 대안적인 밸브 기구에서, 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제1 유체 채널들(504)은 드라이브 샤프트(506)의 외부 표면의 제1 원주 방향 세그먼트들에 걸쳐 연장하는 별개의 미리 정해진 제1 축 방향 포지션들에서 제공되며, 그리고 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제2 유체 채널들(508)은 드라이브 샤프트(506)의 외부 표면의 제2 원주 방향 세그먼트에 걸쳐 연장하는 별개의 미리 정해진 제2 축 방향 포지션들에서 제공되며, 여기서 제1 원주 방향 세그먼트는 제2 원주 방향 세그먼트로부터 반경 방향으로 반대편에 제공되며, 그리고 여기서 제1 축 방향 포지션들 중 각각 하나는 제2 축 방향 포지션들의 각각 하나로부터 축 방향으로 오프셋된다. 또한, 제1 유체 도관(510) 및 제2 유체 도관(512)은 드라이브 샤프트(506)에 제공된다. 각각의 유체 도관(510, 512)은 2개의 유체식으로 결합된 출구 포트들(511, 513)을 포함하며, 여기서 제1 출구 포트(511)는 제1 유체 채널들(504) 중 하나와 유체식으로 커플링되며, 그리고 제2 출구 포트(513)는 제2 유체 채널들(508) 중 하나와 유체식으로 커플링된다. 유체 연결부들(514)은 드라이브 샤프트(506)를 에워싸는 케이싱(516)에서 배열되며, 그리고 각각의 유체 연결부는 드라이브 샤프트(506)의 회전 동안 제1 또는 제2 유체 채널들(504, 508) 중 하나와 유체 연결부를 임시적으로 형성하도록 적응된다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예(600)가 도 31에서 도시되며, 도 31에서, 스크롤 기구들(602, 604)은 이전에 설명된 트윈-스크류 기구 대신에 사용된다. 동작 원리는 트윈-스크류 로터들을 포함하는 실시예를 위해 설명되는 바와 동일하며, 즉, “냉간” 유닛(604)에서의 샤프트 회전은, “냉간” 유닛(604)에서의 작동 공간들의 변경들과 “가온” 유닛(602)에서의 작동 공간들의 변경들 사이의 최적 위상 각이 존재하는 방식으로, "냉간" 유닛(604)에서의 샤프트 회전은 "가온" 유닛(602)에서의 샤프트 회전과 동기화된다. 작동 프로세스는 도 20 내지 도 23에서 도시되는 바와 같이 다이어그램들에 의해 설명될 것이지만, 사이클의 완료가 2개 또는 그 초과의 샤프트 레볼루션들(revolutions)을 요구할 수 있는 것이 이해된다.

또 다른 대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 상이한 압축/팽창 기구들(예컨대, 스크롤 및 트윈-스크류)가 조합될 수 있다. 그러나, 체적들의 변경(선형 또는 비선형 톱니형과 같은 함수를 뒤따름)이 동기화되어서, 폐쇄된 축열식(regenerative) 스터링 사이클을 형성하는 것이 이해된다.

게다가, 로터리 원뿔형 스크류 기구들을 활용할 때, 실시예에서의 체적들의 연결들은 트윈-스크류 로터들을 갖는 것과 유사할 수 있다.

또한, (냉각 모드에서의) 본 발명의 멀티-스테이지 배열은 전술된 바과 같은 실시예와 함께 가능한 바와 같이 매우 더 낮은 온도들을 달성하는 데 사용될 수 있다. 게다가, 본 발명의 스터링-사이클 기계들은 평탄한, 박스-유형, 원통형 그리고 다른 형태로서 제공될 수 있다. 이전에 언급되는 바와 같이, 열 교환기들 또는 적어도 열 교환기들 중 적어도 일부분은 로터들의 케이싱 또는 샤프트의 적어도 부분으로 통합될 수 있어서, 본 발명의 스터링-사이클 장치의 크기를 최소화시킨다. 대안적으로, 케이싱 또는 샤프트들의 부분들은 열 교환기들 중 하나로서 활용될 수 있다.

위의 실시예(들)이 임의의 제한적인 의미가 아니고 그리고 단지 예로써 설명되어 있으며, 그리고 다양한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 가능한 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (22)

1. 스터링-사이클(stirling-cycle) 장치로서,
   밀폐식으로(hermetically) 밀봉가능한 하우징(housing);
   제2 로터리 유체 변위 유닛(rotary fluid displacement unit)과 유체 연통하는 제1 로터리 변위 유닛; 및
   액추에이터를 포함하며,
   상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛 각각은 상기 하우징 내에 별도의, 유체식으로 밀봉되는 부분에 동작가능하게 장착되고 그리고 사용 동안 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 주기적인(cyclic) 변경을 제공하도록 적응되며,
   상기 각각의 제1 및 제2 로터리 변위 유닛은;
   압축기 기구(compressor mechanism)─상기 압축기 기구는 상기 작동 유체의 제1 부분을 수용하도록 적응되는 제1 압축기 작동 챔버, 및 상기 작동 유체의 제2 부분을 수용하도록 적응되는 적어도 제2 압축기 작동 챔버를 가지며, 상기 제1 압축기 작동 챔버는 제1 출구 포트(outlet port)를 포함하며, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버는 제2 출구 포트를 포함함─;
   팽창기(expander) 기구─상기 팽창기 기구는 상기 작동 유체의 상기 제1 부분을 수용하도록 적응되는 제1 팽창기 작동 챔버, 및 상기 작동 유체의 상기 제2 부분을 수용하도록 적응되는 적어도 제2 팽창기 작동 챔버를 가지며, 상기 제1 팽창기 작동 챔버는 제1 입구 포트(inlet port)를 포함하며, 그리고 상기 제2 팽창기 작동 챔버는 제2 입구 포트를 포함함─;
   상기 제1 압축기 기구에 상기 제1 팽창기 기구를 동작가능하게(operably) 그리고 동작식으로(operatively) 커플링시키도록 적응되는 드라이브 커플링 조립체(drive coupling assembly)를 포함하며,
   상기 드라이브 커플링 조립체는:
   상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛의 회전 각의 미리 정해진 간격들로, 상기 제1 압축기 작동 챔버와 상기 제1 팽창기 작동 챔버 사이에, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버와 상기 제2 팽창기 작동 챔버 사이에 미리 정해진 순서의 주기적인 유체 교환을 제공하도록 적응되는 회전 밸브 기구를 포함하고,
   상기 액추에이터는 상기 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 제1 미리 정해진 주기적인 변경이 미리 정해진 위상 각(phase angle)에 의해, 사용 동안, 상기 작동 유체의 적어도 하나의 열역학적 상태 매개변수의 제2 미리 정해진 주기적인 변경에 대해 오프셋되도록(offset), 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛에 작동가능하게 커플링되고 그리고 상기 제1 로터리 변위 유닛의 회전 운동을 상기 제2 로터리 변위 유닛에 동기식으로 링킹하도록(link) 적응되는,
   스터링-사이클 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 드라이브 커플링 조립체는, 적어도 하나의 제1 드라이브 샤프트(drive shaft) 및 상기 적어도 하나의 제1 드라이브 샤프트를 작동가능하게 에워싸도록 구성되는, 내부 벽을 가지는 적어도 하나의 제1 샤프트 케이싱(shaft casing)을 더 포함하는,
   스터링-사이클 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 제1 샤프트 케이싱은 상기 내부 벽의 제1 원주 방향 세그먼트(segment)에 걸쳐 연장하는 별개의 미리 정해진 제1 축 방향 포지션들에서 제공되는 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제1 유체 채널들, 및 상기 내부 벽의 제2 원주 방향 세그먼트에 걸쳐 연장하는 별개의 미리 정해진 제2 축 방향 포지션들에서 제공되는 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제2 유체 채널들을 포함하며, 그리고 상기 제1 원주 방향 세그먼트는 상기 제2 원주 방향 세그먼트의 반경 방향으로 반대편에서 제공되며, 그리고 상기 제1 축 방향 포지션들 중 각각 하나는 상기 제2 축 방향 포지션들 중 각각 하나로부터 축 방향으로 오프셋되는,
   스터링-사이클 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 복수의 축 방향으로 이격되고 부분적으로 원주 방향인 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나는, 180도보다 더 큰 각에 대응하는(subtend),
   스터링-사이클 장치.
5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 드라이브 샤프트는 제1 세트의 2개의 대응하는 도관들─상기 제1 출구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제1 도관 및 상기 제1 입구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제2 도관─을 포함하며, 상기 대응하는 상기 제1 및 제2 도관들 중 각각 하나는 제1 미리 정해진 반경 방향 각으로 상기 드라이브 샤프트 밖으로 반경 방향으로 나오는 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들을 가지고, 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제1 개구는 상기 복수의 제1 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응되며, 그리고 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제2 개구는 상기 복수의 제2 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응되는,
   스터링-사이클 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 드라이브 샤프트는 적어도 제2 세트의 2개의 대응하는 도관들─상기 제2 출구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제1 도관 및 상기 제2 입구 포트에 유체식으로 커플링되는 제1 개구를 가지는 제2 도관─을 포함하며, 상기 대응하는 상기 제1 및 제2 도관들 중 각각 하나는 제2 미리 정해진 반경 방향 각으로 상기 드라이브 샤프트 밖으로 반경 방향으로 나오는 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들을 가지고, 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제1 개구는 상기 복수의 제1 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응되며, 그리고 상기 2개의 결합된 축 방향으로 인접한 제2 개구들 중 제2 개구는 상기 복수의 제2 유체 채널들 중 하나와 유체식으로 맞물리도록 적응되는,
   스터링-사이클 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 복수의 제1 유체 채널들 중 각각 하나는 상기 복수의 제2 유체 채널들 중 대응하는 하나에 유체식으로 커플링되어서, 사용 동안, 상기 제1 압축기 작동 챔버와 상기 제1 팽창기 작동 챔버 사이에서, 그리고 상기 제2 압축기 작동 챔버와 상기 제2 팽창기 작동 챔버 사이에서 미리 정해진 순서의 유체 교환을 허용하는,
   스터링-사이클 장치.
8. 제7 항에 있어서,
   제1 및 제2 작동 공간은, 상기 제1 로터리 변위 유닛에서, 유체식으로 커플링되는 상기 제1 압축기 작동 챔버 및 상기 제1 팽창기 작동 챔버, 그리고 유체식으로 커플링되는 상기 제2 압축기 작동 챔버 및 상기 제2 팽창기 작동 챔버 중 각각 하나를 위해 형성되는,
   스터링-사이클 장치.
9. 제7 항에 있어서,
   제1 및 제2 작동 공간은, 상기 제2 로터리 변위 유닛에서, 유체식으로 커플링되는 상기 제1 압축기 작동 챔버 및 상기 제1 팽창기 작동 챔버, 그리고 유체식으로 커플링되는 상기 제2 압축기 작동 챔버 및 상기 제2 팽창기 작동 챔버 중 각각 하나를 위해 형성되는,
   스터링-사이클 장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 제1 및 제2 작동 공간 중 각각 하나는, 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 제1 및 제2 작동 공간 중 대응하는 하나와 유체 연통하는,
    스터링-사이클 장치.
11. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나는, 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나의 별개의 하나와 유체 연통하는,
    스터링-사이클 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널들 중 각각 하나와 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 대응하는 유체식으로 커플링되는 제1 및 제2 유체 채널 중 각각 하나 사이의 각각의 유체 연통은, 제1 열 교환기, 축열기(regenerator) 및 제2 열 교환기 중 임의의 하나 또는 임의의 일련의 조합을 포함하는,
    스터링-사이클 장치.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기는 상기 작동 유체에 열을 제공하도록 적응되며, 그리고 상기 제2 열 교환기는 상기 작동 유체로부터 열을 제거하도록 적응되는,
    스터링-사이클 장치.
14. 제12 항에 있어서,
    상기 축열기는 상기 제1 열 교환기와 상기 제2 열 교환기 사이에서 유체식으로 커플링되는,
    스터링-사이클 장치.
15. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기는 상기 제1 로터리 변위 유닛의 필수 부분이며, 그리고/또는 상기 제2 열 교환기는 상기 제2 로터리 변위 유닛의 필수 부분인,
    스터링-사이클 장치.
16. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 중 각각 하나는 트윈-스크류 기구(twin-screw mechanism)를 포함하는,
    스터링-사이클 장치.
17. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 중 각각 하나는 스크롤(scroll) 기구 또는 로터리 원뿔형(conical) 스크류 기구를 포함하는,
    스터링-사이클 장치.
18. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 변위 유닛들 중 각각 하나는 트윈-스크류 기구, 스크롤 기구, 또는 로터리 원뿔형 스크류 기구 중 임의의 하나를 포함하는,
    스터링-사이클 장치.
19. 제1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들을 동기식으로 구동시키도록 적응되는 변속기(transmission) 및 모터(motor)를 포함하는,
    스터링-사이클 장치.
20. 제1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 로터리 변위 유닛들 중 임의의 하나에 의해 동력공급되도록(powered) 적응되는 적응되는 변속기 및 모터를 포함하는,
    스터링-사이클 장치.
21. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 로터리 변위 유닛의 상기 압축기 및 팽창기 기구 중 각각 하나, 및 상기 제2 로터리 변위 유닛의 상기 압축기 및 팽창기 기구 중 각각 하나는, 상기 하우징의 분리된(discrete) 그리고 밀폐식으로 밀봉된 부분에 제공되는,
    스터링-사이클 장치.
22. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 로터리 변위 유닛은 압축 유닛이며, 그리고 상기 제2 로터리 변위 유닛은 팽창 유닛인,
    스터링-사이클 장치.

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