KR102146473B1 - 조합된 냉각, 가열, 동력, 압력, 일 및 물을 위한 호모폴라 dc 발전기를 갖는 테이퍼식 나선형 가스 터빈 - Google Patents
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Abstract
일 추출 또는 공기 냉각을 위한 가스 팽창기(503)용의 테이퍼식 지수적 나선이 사용된다. 이러한 테이퍼식 지수적 나선은 또한, 공기의 압력 및 온도를 상승시키기 위해 가스 압축기(501)에 사용될 수 있다. 압축기-팽창기는 용이한 제조를 위해 단일의 간단한 구조를 형성한다. 공기의 단열 팽창을 위한 테이퍼식 지수적 나선을 가로지르는 온도 강하에 대한 간단한 공식이 유도된다. 공기의 등온 압축을 위해 공기가 외측으로 압축됨에 따라 증가하는 압력도 또한 유도된다. 나선은 에너지 변환에 효율적인 것으로 입증된다. 기하 형상 및 기술을 변경함으로써 패러데이 호모폴라 DC 발전기가 개선된다. 높은 일-전기 변환 효율, 및 높은 전압 및 전력 생성이 달성된다. 동일한 발전기 구조가 호모폴라 DC 모터로서 사용될 수 있다. 전압을 제어함으로써, 모터 또는 발전기의 속도가 제어된다. 전류를 제어함으로써, 사용되거나 생성되는 토크력이 제어된다. 호모폴라 발전기 및 모터는 나선형 압축기 및 팽창기와 용이하게 통합될 수 있다. 이러한 기본적인 발명을 사용하는 세 가지 응용이 제안된다. 첫째, 집광된 태양 에너지 또는 가스 연료의 연소에 의해 동력을 공급받는 열 터빈이 제안된다. 둘째, 물의 냉각, 냉동 및 가열을 위해 전기에 의해 전력을 공급받는 열 펌프가 제안된다. 셋째, 감압하에서 염수를 증발시키기 위해 집광된 태양광을 이용하는 태양열에 의한 담수화 방법이 제안된다. 파이어플라이 기술은 많은 종류의 에너지의 소규모, 지역적 및 단순한 생성을 제공하여, 필요시에 언제 어디서나 사람들에게 태양열을 다시 제공할 수 있다.
Description
본 출원은, 2016년 2월 2일자로 출원되고 명칭이 "조합된 냉각, 가열, 동력, 압력, 일 및 물을 위한 테이퍼식 나선형 가스 터빈(A Tapering Spiral Gas Turbine for Combined Cooling, Heating, Power, Pressure, Work, and Water)"이고 일련 번호 제 62/290,393 호가 할당되며 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 기술하고 있는 미국 특허 가출원에 개시된 요지를 포함하고 그 우선권을 주장한다.
세계는 선진국뿐만 아니라 모든 나라에서 접근 가능하고 공평한 청정한 공기, 물, 음식, 에너지, 및 교통수단(transportation)을 요구한다. 이러한 편의 시설의 보편적인 제공의 핵심은, 태양열(solar power) 및 병에 담긴 액체 석유 가스(bottled liquid petroleum gas)와 같이 현지에 있거나 입수 가능한 에너지원에 의해 지원되는, 사람들이 있는 곳에서의 그들의 이러한 요구를 충족시키는 기술적인 발전이다.
우리는 지구 온난화 및 해수면 상승을 야기하는 화석 연료의 연소로 인한 지구 기후 변화에 직면하여 있다. 석탄의 연소는 대기 오염을 일으킨다. 지하수가 빠르게 고갈된다. 지구 온난화는 극심한 더위를 가져오고, 공기 조절(air conditioning)은 보다 많은 지구 온난화 화석 연료를 사용한다. 교통수단은 고가의 석유 제품을 필요로 하여, 주요 도시에서의 만성적인 미립자 오염을 일으킨다.
에너지 부족 및 기후 변화를 완화하기 위해, 우리는 세 가지의 초점 전환을 강조한다. 첫 번째 초점 전환은 에너지 생성으로부터 에너지 적용으로의 전환이다. 에너지 생성은 단지 청정한 공기, 물, 음식 및 교통수단의 최종 편의수단에 대한 중간일 뿐이다. 에너지 보존은 종종 보다 많은 편안함을 가져온다.
두 번째 초점 전환은 전기로부터 열로의 전환이다. 우리는 공간 및 물의 가열을 위해 열을 직접적으로 사용할 수 있고, 냉각, 물, 요리, 운동(motion), 그리고 운동-유도 전기를 생성하기 위해 열을 간접적으로 사용할 수 있다. 전기는 조명, 통신, 컴퓨팅 및 전기 교통수단을 위해 생성된다.
우리는 사용되는 형태에 근접한 에너지를 저장해야 한다: 열 배스(heat bath)의 열 에너지, 가압 가스로서의 압력 에너지, 응축된 냉매 또는 냉동 물질로서의 냉기(chill), 화학 전지의 전기 에너지. 효율적인 소형 터빈이 이용 가능하면, 우리는 연료로서 화학 에너지를 저장해야 한다.
세 번째 초점 전환은 에너지의 지역적 생성, 저장, 변환 및 사용이다. 우리는 중앙 집중식 발전(centralized generation; CG)의 에디슨(Edison)의 실용 모델을 시설망 분포(grid distribution)로 역전시키기를 원한다.
우리는 마이크로-터빈을 마이크로 DC 발전기와 통합하는 기술을 발명했다. 우리는 아직은 개인용인 파이어플라이(Firefly) 기술이 대형 발전소만큼 효율적이라고 말한다. CG는 불필요해지고, 에너지의 이동(mobile) 수집, 저장, 변환 및 사용을 위한 개인용 에너지(Personal Energy; PE)로 대체된다.
CG를 대체하는 PE는 산업 혁명의 4 단계에서 우리를 원점으로 가져간다. 1차 혁명은 대형 증기 기관에 의해 일 생성을 중앙 집중화했다. 2차 혁명은 증기 기관에 의해 구동되는 대형 AC 발전기로 세계에 전기를 공급했다. 마이크로-일렉트로닉스(micro-electronics)의 3차 혁명은 우리에게 글로벌 컴퓨팅 및 통신 네트워크를 제공했다. MEMS(Micro-Electronic-Mechanical Systems; 미세-전기기계 시스템)의 4차 혁명은 CG의 1차 및 2차 혁명을 역전시켜 우리에게 PE를 제공하여, 모든 것을 지역적, 소규모 및 개인적이게 한다.
파이어플라이는 10S를 갖는다: 스마트함(Smart), 소형(Small), 단순성(Simple), 확장성(Scalable), 절약성(Savings), 강력함(Strong), 조용함(Silent), 안전성(safe), 저장성(Stores) 및 스타일리쉬함(Stylish). 파이어플라이는 조합된 냉각, 가열, 동력, 압력, 일 및 물(약어 CCHP2W2)을 제공한다.
파이어플라이는 가난한 나라의 산업화를 도와서, 사람들이 전기 또는 수도 시설망이 없는 곳에서 생산적이게 할 수 있다. 세계의 절반은 신뢰성있는 전기 또는 수돗물(running water) 공급 없이 생활한다.
CCHP2W2의 핵심은 집광식 태양열 또는 가스 연료의 내부 연소에 의해 동력을 공급받는 효율적인 마이크로-터빈이다. 마이크로 터빈과는 효율적인 마이크로 DC 모터-발전기가 통합된다.
열 기관과 전기 발전기의 역사를 살펴보자. 알렉산드리아의 히어로(Hero)는 2000년 전에 최초 열 터빈을 발명했다. 보일러에서 생성된 증기는 반대 방향으로 노즐을 통해 방출되어 힌지식 보일러를 회전시켰다. 히어로의 터빈은 알렉산드리아 도서관에 전시된 진기한 유물이다.
히어로와 1차 산업 혁명 사이에, 바람 및 물의 운동 에너지가 터빈, 문자 그대로 회전 장치, 예컨대 풍차(wind mill) 또는 수차(water mill)에 의해 얻어졌다. 블레이드 또는 버킷(bucket)은 바람 또는 유동하는 물을 차단하여 터빈을 회전시켜서 일을 추출한다.
최초의 강력하고 실용적인 증기 기관은 1769년에 제임스 와트(James Watt)에게 특허 허여되었다. 석탄 연소 보일러(coal fired boiler)로부터의 증기는 실린더 내에서 피스톤을 구동시켜 물을 펌핑하고 직물을 직조하고 기차를 구동하기 위한 상당한 힘을 제공한다. 증기 구동 기관차는 사람들을 도시로 데려왔다. 중앙 집중식 제조는 증기 기관에 의해 이루어졌다. 이러한 랭킨 사이클(Rankine cycle) 열 기관은 액체를 끓여서 압력을 생성하여 일을 행한다.
스털링 기관(Stirling engine)은 1816년에 스털링 목사에게 특허 허여되었다. 스털링 목사는 증기 보일러의 엄청난 압력에 관심이 있었다. 스털링 기관은 2개의 실린더를 사용하는데, 하나는 공기 가열용이고 다른 하나는 공기 냉각용이다. 팽창하는 공기는 일을 수행한다. 이러한 카르노 사이클(Carnot cycle) 열 기관은 고온에서 작동한다.
1830년경에, 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 호모폴라(homopolar) 디스크 발전기를 발명했다. 전류는 C자형 자석의 자극들 사이에 개재된 회전 디스크의 둘레부로부터 수집된다. 손실 와전류(lossy eddy current)가 회전 디스크 내에서 흐른다. 니콜라 테슬라(Nicola Tesla)에 의한 그와 같은 개량에도 불구하고, 이러한 발전기는 낮은 효율 및 전압으로 인해 실용적인 발전에 사용되지 못했다.
에디슨(Edison) 및 테슬라(Tesla)의 발명은 20세기 초에 전력 설비(power utility)를 창출했다. 석탄 연소 증기 기관은 테슬라의 AC 발전기에 의해 전기를 생성한다. 증기 기관은 대형이고 비효율적이다. 그들은 강하지만 느리다. 대전류를 생성하기 위해, 교류 발전기는 대형 전자석을 필요로 한다.
니콜라 테슬라는 스테이터(stator) 및 로터(rotor) 코일에서의 전류의 상호 유도에 의한 3상 전기 발전기를 발명했다. 전압 변환의 용이성은 전력의 오옴 손실이 훨씬 감소된 장거리 전기 시설망에 걸친 효율적인 고전압 송전을 가능하게 한다. 전력 설비는 DC보다 AC를 채용한다.
니콜라 테슬라는 또한 테슬라 터빈을 발명했다. 터빈은 밀접하게 이격된 디스크의 적층체(stack)를 포함한다. 증기는 터빈 주변부 상에 접선 방향으로 분사된다. 증기는 디스크들 사이에서 적층체의 중심을 향해 내측으로 나선형으로 움직인다. 증기는 가스 점성에 의해 디스크를 드래그한다. 테슬라는 이론적인 카르노 사이클 효율의 90%의 등엔트로피 효율을 주장했는데, 이는 심지어 오늘날의 기술로도 검증되지 않았다.
1950년도부터, 가스 및 증기 터빈은 전력 설비를 훨씬더 효율적이게 만들었다. 석탄을 연소시킴으로써 생성되는 증기에 의해 동력을 공급받는 증기 터빈은 약 40%의 효율을 갖는다. 증기 터빈으로부터의 저압 증기를 응축시키기 위해서는 대량의 물이 필요하다. 복합 사이클 가스 터빈(combined cycle gas turbine; CCGT)은 60% 초과의 효율을 달성한다. CCGT는 천연 가스를 사용하여 브레이튼 사이클(Brayton cycle) 가스 터빈을 구동시킨다. 고온 가스 배기는 증기를 생성시켜 랭킨 사이클 증기 터빈에 동력을 공급한다.
21세기부터, 세계는 화석 연료의 연소로 인한 공해에 직면하고 있다. 결과적인 기후 변화는 인간 생존을 위협하고 있다. 하지만 세계 인구의 상당수는 물, 열, 냉기, 음식 및 교통 수단을 제공받기에 열악한 상태로 남아있다. CG는 전력 기반시설이 부족한 가난한 국가에서 실패하고 있다. 하지만 가난한 사람들은 지구 온난화, 해수면 상승 및 만성적인 대기 오염으로부터 가장 고통받고 있다.
보다 많은 석탄을 연소시키는 것은 사람들이 편안한 생활을 사는 것을 돕는 해결책은 아니다. 우리는 비싸고 오염시키고 낭비적인 에너지 수집, 생성 및 분배 기반시설을 구축할 여유가 없다. 천연 가스 및 태양열은 PE를 위해 선택된 우리의 에너지원이다. 둘 모두가 개인용 에너지 생성 및 사용에 풍족하게 이용 가능하다. PE는 효율적이고, 청정하고, 지역적이며, 소형이고, 유용하며, 따라서 훌륭하다.
에너지 및 환경 위기를 해결하기 위해, 우리는 에너지 생성, 저장, 변환 및 사용을 개인화해야 한다. 우리는 우리의 에너지원으로 열에 초점을 맞출 것이다. 열은 태양열, 지열, 또는 파이프 수송식 천연 가스(piped natural gas) 및 캐니스터(canister)로 수송된 프로판의 연소로부터 생길 수 있다.
우리의 목표는 전력의 와트당 적은 비용으로, 소형 가스 터빈을 대형 가스 터빈만큼 효율적이게 하는 것이다. 우리는 전기 이외에, 열, 냉기, 물 및 일의 열병합 발전(cogeneration)을 원한다.
우리는 가스 압력의 점진적인 방출이 일을 생성할 수 있게 하는 개방형 가스 유동의 올바른 기하 형상을 밝혀내고자 한다. 우리는 가스의 운동 에너지로의 압력의 급격한 변환을 회피하고자 한다.
우리는 또한 현대의 자석 및 솔리드 스테이트(solid state) 전자장치를 사용하여 패러데이 호모폴라 DC 발전기를 다시 발명하고자 한다. 우리는 운동-유도 전기에 대한 새로운 기하 형상을 발견하여 패러데이 발전기의 낮은 효율과 낮은 전압이라는 세기의 오래된 문제를 해결했다.
우리는 우리의 마이크로-터빈 및 마이크로-호모폴라 발전기의 발명에 기초하여 세 가지의 응용을 제안한다. 첫째로, 우리는 나선형 압축기, 나선형 팽창기 및 호모폴라 DC 발전기를 통합하는 열 터빈을 기술한다. 이러한 파이어플라이 열 기관은 일 또는 전기를 생성한다.
이러한 마이크로-터빈은, 자동차를 구동하기 위해, 드라이브 트레인(drive train)에 직접적으로 동력을 공급하거나 생성된 전기로 간접적으로 동력을 공급하는데 사용될 수 있다. 터빈은, 나선형 팽창기를 회전시키고 이 나선형 팽창기가 나선형 압축기를 구동하여 엔진 압력을 증가시키기 위해 배기관 배기(tailpipe exhaust)를 사용하여, 자동차 피스톤 기관용 터보 과급기(turbo charger)로서 변형될 수 있다. 파이어플라이는 또한 드론(drone)을 날게 하는데 사용될 수도 있다. 파이어플라이는 태양 및 가스 에너지에 의해 시설망을 이용하지 못하는 가정(homes off grid)에 동력을 공급할 수 있다.
두 번째 응용은 공기를 압축하기 위해 호모폴라 DC 모터에 의해 구동되는 공기의 나선형 압축기의 열 펌프이다. 압축 열은 물을 가열하는데 사용된다. 압축 공기는 냉각되면 물을 발생시킨다. 압축 공기는 팽창되면 공기 조절 및 냉동을 위한 건조한 저온 공기를 제공한다.
셋째로, 우리는 태양열 담수화 시스템을 기술한다. 태양 에너지는 감압하에서 염수를 끓인다. 태양 에너지는 나선형 압축기를 구동하여 증기를 응축시킨다. 이러한 담수화 시스템은 응축 열이 보다 많은 염수를 증발시키는데 재사용되므로 높은 효율을 갖는다.
테이퍼식 지수적 나선(tapering exponential spiral)은 가압 및 고온 가스의 내부 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 가스 유동에 대한 효과적인 기하 형상으로서 발견된 것이다. 우리는 터빈을 가압하여 운동 에너지를 생성하는, 나선 외측으로의 단열 가스 유동의 온도 및 압력 강하를 해결했다.
역회전 방향으로 회전할 때의 동일한 지수적 나선은 운동 에너지를 가압 및 가열된 가스로 변환하는 가스의 압축을 위한 효과적인 기하 형상일 수 있다. 우리는 중심을 향해 가스를 가압하는 나선 벽에 의해 등온 압축되는 가스의 압력 이득(pressure gain)을 해결했다.
패러데이 호모폴라 DC 디스크 발전기는 디스크 내에서의 전류 순환 손실 및 낮은 전압 유도의 문제를 해결하기 위해 개량된 것이다. 새로운 DC 발전기는 로터로서 영구 자석의 링을 사용한다. 자석 링은 스테이터 코일로 작용하는 링 솔레노이드 상에 전류를 유도하기 위해 동일한 자극(지금부터, 호모폴라라고 지칭)을 갖는다. 유도된 전압은 자기장 강도, 로터 림의 속도, 스테이터 코일의 권수 및 스테이터 코일의 높이의 곱이다.
우리는 나선형 압축기 및 나선형 팽창기를 DC 발전기 및 모터와 통합하여 세 가지 응용을 위한 시스템을 발명한다.
제 1 응용은 태양열 또는 가스 연소 열을 일 및 전기로 변환할 수 있는 열 터빈이다. 이러한 열 터빈은 열 변환으로부터 생성된 운동 및 전기에 의해 자동차, 버스, 트럭, 기차 및 소형 항공기와 같은 탈것(vehicle)을 구동하는데 사용될 수 있다.
제 2 응용은 습한 공기를 보다 높은 온도 및 압력으로 압축하기 위해 DC 모터에 의해 동력을 공급받는 열 펌프이다. 압축 공기는 실온에서 냉각되어 열 및 습기가 제거되어, 가열된 물 및 수분이 응축된 음용수를 생성한다. 냉각 및 건조된 압축 공기는 나선형 팽창기에서 팽창되어, 공기 조절을 위한 일 및 저온 공기를 생성할 수 있다.
제 3 응용은 태양열 담수화 시스템이다. 포커싱된 태양광은 염수를 가열하여 감압하에 100℃보다 낮은 온도에서 끓인다. 가열된 물기둥의 헤드에서의 저압 증기는 태양열 발전 전기를 사용하여 나선형 압축기에 의해 압축된다. 보다 고압의 증기를 응축하는 것은 압축 및 응축의 열을 교환시켜서 염수 기둥을 더욱 가열하여, 훨씬더 많은 음용수를 위한 보다 저압의 증기를 생성한다. 음용수는 증발하는 염수의 기둥 아래의 하부에서 수집된다.
도 1은 테이퍼식 지수적 나선을 도시하고,
도 2는 가스 온도 강하비 T/T0 대 반경 r, 및 브레이튼 사이클을 도시하고,
도 3은 압축비 p0/p 대 반경 r, 및 후이 사이클을 도시하고,
도 4는 DC 호모폴라 발전기 및 모터의 기하 형상을 도시하고,
도 5는 터빈 및 발전기의 수직 단면도(중앙)와, 팽창기(상부 나선형 디스크) 및 압축기(하부 나선형 디스크)의 수평 단면도를 도시하고,
도 6은 물 가열 및 공기 조절을 위한 열 펌프의 단면도를 도시하고,
도 7은 나선형 압축기를 사용하는 태양열 담수화 시스템의 단면도를 도시하고,
도 8은 초점선에 있는 물기둥 상에 태양광을 집광시키는 포물면 원추 미러를 도시하고,
도 9는 개방 위치(나선이 서로 가장 근접한 경우, 상부 도면) 및 폐쇄 위치(나선이 가장 멀리 떨어진 경우, 하부 도면)의 스크롤링 압축기를 도시한다. 공기의 포켓이 나선들 사이에 있다.
도 2는 가스 온도 강하비 T/T0 대 반경 r, 및 브레이튼 사이클을 도시하고,
도 3은 압축비 p0/p 대 반경 r, 및 후이 사이클을 도시하고,
도 4는 DC 호모폴라 발전기 및 모터의 기하 형상을 도시하고,
도 5는 터빈 및 발전기의 수직 단면도(중앙)와, 팽창기(상부 나선형 디스크) 및 압축기(하부 나선형 디스크)의 수평 단면도를 도시하고,
도 6은 물 가열 및 공기 조절을 위한 열 펌프의 단면도를 도시하고,
도 7은 나선형 압축기를 사용하는 태양열 담수화 시스템의 단면도를 도시하고,
도 8은 초점선에 있는 물기둥 상에 태양광을 집광시키는 포물면 원추 미러를 도시하고,
도 9는 개방 위치(나선이 서로 가장 근접한 경우, 상부 도면) 및 폐쇄 위치(나선이 가장 멀리 떨어진 경우, 하부 도면)의 스크롤링 압축기를 도시한다. 공기의 포켓이 나선들 사이에 있다.
테이퍼식 지수적 나선
가스를 압축하거나 팽창시키는 전통적인 수단은 주로 2개의 장치, 즉 피스톤 또는 팬 블레이드(fan blade)를 사용한다. 가스는 가스를 압축하거나 팽창시키기 위해 이동 가능한 피스톤에 의해 실린더 내에 밀폐된다. 가스는 또한 가스의 운동 에너지를 부여하거나 얻기 위해 고속 회전 블레이드에 의해 충돌될 수 있다.
우리는 나선형 가스 유동 채널의 적절한 기하 형상을 밝혀내기 위해 터빈을 3D 프린팅했다. 우리는 나선 크기와 형상을 변화시켰다. 우리는 회전 각도 θ에 따라 선형으로 증가하는 반경 r = αθ + b를 갖는 아르키메데스(Archimedes) 나선을 시도했다. 가압 가스에 의한 시험은 아르키메데스 나선이 잘 작동하지 않는 것으로 나타났다.
우리는 또한 그 발명자의 이름을 따서 명명된 베르누이(Bernoulli) 나선으로도 알려진 지수적 나선을 시도했다. 나선 반경 
는 각도 θ에 따라 지수적으로 증가한다. 도 1은 지수적 나선을 도시하고 있다.
지수적 나선은 종종 조개 및 식물과 같이 자연에 존재한다. 유체 역학은 허리케인에 대한 지수적 나선 형상을 유도한다. 은하계 아암(galaxy arm)은 지수적 나선이다. 지수적 나선은 성장 물리학에서 비롯된다. 성장은 종종 자기-발생적(self-generating) 및 자기-유사적(self-similar)이다.
지수적 나선은 자기-유사적이다. 우리가 나선의 중심을 줌인(zoom in)함에 따라 나선은 유사하게 보인다. 회전하는 베르누이 나선은 시각적으로 수축하거나 팽창하는 것처럼 보이지 않는다.
이러한 자기-유사성은 베르누이 나선의 중요한 특성에서 기인한다: 나선 접선은 나선 반경과 일정한 각도를 이룬다. 베르누이 나선에서 유동하는 가스는 일정한 각도로 나선 벽에 대해 가압된다. 반대로, 아르키메데스 나선은 나선 벽에 대해 감소되는 각도로 가압한다.
독수리는 유사한 방식으로 먹이 상을 선회하면서 줌인한다. 독수리는 먹이 상에 눈을 고정한다. 먹이를 향한 독수리의 시선은 고정된 각도로 있다. 독수리가 선회함에 따라 먹이로부터의 독수리의 거리는 대수적으로 감소한다. 이러한 대수적 나선은 지수적 나선의 역수(inverse)이다.
지수적 나선은 반경 
를 가지며, 여기서 θ는 라디안 단위의 극 각도(polar angle)이다. 대수적 나선은 
를 갖는다. 우리는 θ로부터 r로의 변수의 변경에 대한 관계식 
을 사용할 것이다. 나선 접선은 반경과 일정한 각도 
를 이룬다. r = a에서의 나선 길이는 
이다.
도 1은 지수적 나선형인 외측 벽을 갖는 나선을 도시하고 있다. 외측 벽과 내측 벽 사이의 폭은 테이퍼지는 것으로 도시되어 있다. 나선형 채널 폭은 각도 θ에 따라 지수적으로 감소한다. 우리는 이러한 테이퍼가 가스의 급속한 속도 증가 없이 가스 압력을 유지하는 것의 핵심이라는 것을 보여줄 것이다.
테이퍼식 나선에서의 가스의 단열 팽창을 위한 온도 변화
우리는 가스가 테이퍼식 지수적 나선에서 단열적으로(주위와의 열교환이 없음을 의미함) 팽창할 때의 가스 온도의 간단한 해를 제공한다. 이러한 간단한 해는 우리의 발명의 핵심이다. 우리는 테이퍼식 지수적 나선의 효과를 이론적으로 증명할 수 있다. 현대의 가스 터빈에서의 가스 온도에 대한 닫힌 형태 해(close form solution)는 몹시 미치지 못한다.
초기에, 우리는 좁은 일정 폭의 긴 나선을 움직이는 가압 공기로 실험했다. 터빈은 빠르게 회전하고 있지만 거의 토크를 생성하지 못했다. 토크력은 일의 생성에 중요하다.
토크는 가압력에 의해 생성된다. 압력 방출(pressure release)의 보다 양호한 제어를 유지하기 위해, 우리는 보어 면적 A = wd, 즉 나선의 폭 w × 깊이 d를 변경하는 것을 고려한다. 나비에 스토크스(Navier-Stokes) 방정식에 의해 지정된 바와 같이 내부 압력 구배로 인해 가스 속도가 증가한다. 테이퍼는 가스 수축으로 인한 가스 속도 증가를 방지한다. 우리는 이러한 테이퍼 보어가 압력 방출을 완화한다는 것을 보여줄 것이다.
테이퍼식 나선은, 폭발 가스가, 내측 벽보다 긴 외측 나선 벽에 보다 큰 토크를 가할 수 있게 한다. 보다 큰 표면적 외에도, 외측 나선 벽은 또한 내측 나선 벽보다 큰 반경을 갖는다. 외측 나선 벽의 이러한 보다 큰 표면적 및 반경은 내측 나선 벽에 작용하는 반대 토크보다 큰 토크력을 제공한다.
나선 내부에서 이동하는 고압 및 고온 가스는 두 가지의 주요 에너지 성분을 갖는다. 제 1 성분은 가스 분자의 혼돈 운동(chaotic motion)인, 열로 인한 가스 내부 에너지이다.
제 2 성분은 가스의 계통적 속도인 가스 운동 에너지이다. 고압 가스가 가열되는 나선의 중심에서, 가스 내부 열 에너지가 높다. 가스 속도는 낮다.
대부분의 마이크로-터빈 디자인은 노즐을 사용하여 가스 압력을 즉시 방출하여, 가스의 내부 에너지를 순간적으로 운동 에너지로 변환한다. 가스는 급속하게 냉각된다. 노즐 이후에, 고속 가스는 급속하게 난류가 된다. 고속 가스는 터빈 블레이드 상에 충격을 가하여, 토크력을 거의 생성하지 못한다. 가스의 대부분의 운동 에너지는 일이 아닌 열로 다시 변환된다.
우리는 가스 압력을 급격하게 감소시키지 않도록 노력하고 있다. 우리는 압력이 유지된 고온 가스의 가압력을 사용하여 터빈의 낮은 각속도에서 상당한 토크력을 생성시킨다. 노즐 구동식 터빈은 토크력을 거의 제공하지 않고, 매우 고속으로 터빈을 회전시킨다.
베르누이 법칙에 의해 설명된 바와 같이, 가스 운동 에너지는 터빈의 에너지 변환에 사소한 역할을 한다. 베르누이 법칙은 가스의 에너지 밀도가 두 가지 성분을 포함한다고 말한다. 제 1 성분은 단위 부피당 에너지의 단위를 갖는 압력이다. 압력 p는 가스의 내부 열 에너지 밀도이다. 이것은 
를 갖는 이상 기체 법칙에서 기인한다.
제 2 요소는 운동 에너지 밀도 
이며, 여기서 ρ는 가스의 질량 밀도이고, v는 속도이다. 급격한 압력 방출 및 가스 속도 증가를 방지함으로써, 우리는 이러한 성분을 작게 유지한다.
베르누이 법칙은 이러한 두 가지 성분의 합 
이 일정하다고 말한다. 우리의 터빈의 경우, 우리는 압력을 높게, 즉 10 bar 또는 1 백만 파스칼(Pascal)로 유지한다. 고속 v = 100 m/s로 이동하는 밀도 ρ~1 kg/㎥의 가스의 경우, 가스 운동 에너지 밀도는 
이다. 10 bar의 압력이 급격하게 1 bar까지 방출되면, 가스 속도는 1000 m/s를 초과하는 초음속이 된다.
우리의 디자인에서, 우리는 나선형 채널의 폭 대신에 깊이를 테이퍼지게 하는 것을 선호한다. 도 5는 터빈의 상부에 있는 원추형 형상의 팽창기를 도시하고 있다. 우리는 팽창기 단면에 도시된 바와 같이 일정한 폭 w를 유지하면서 깊이 d를 감소시킴으로써 보어 면적 A = wd를 감소시킨다.
우리는 터빈 벽에 작용하는 압력에 의해 생성된 토크를 고려한다. 토크는 압력 p × 나선 벽 면적 
× 토크의 레버리지(leverage) rcosα이고, 여기서 
이다. 순 토크(net torque)는 채널의 내측 벽의 토크력과 외측 벽의 보다 큰 토크력 사이의 차이이다. 우리는 나선의 좁은 폭에 걸쳐 일정한 압력을 가정한다.
토크는 압력 × 면적 × 레버리지이다. 외측 벽과 내측 벽 사이의 순 토크는 다음과 같다:
각속도 ω로 회전하는 터빈의 경우, 이러한 미분 토크는 미분 동력을 생성한다:
가스로부터의 동력 추출 유도는 다음의 가정에 의해 단순화된다. 우리는 베르누이 법칙의 운동 에너지 성분을 무시한다. 저속에서는, 가스 유동의 점도를 무시한다. 우리는 가압력이 가스 속도를 증가시키는데 사용되기보다는 일로서 소비되는 빠른 회전 나선을 가정한다. 우리는 또한 얇은 나선형 채널의 반경방향 폭에 걸쳐 가스의 일정한 압력 및 속도를 가정한다.
우리는 이제 나선 내부의 가스의 동력 유동(power flow)을 고려한다. 가스 유동의 압력 에너지 성분 Pf를 고려하자. 속도 u로 유동하는 가스의 면적 A에 걸친 압력 동력 유동은 Pf = Aup이다.
에너지 보존에 의해, 동력 손실 Pf는 터빈 Pp에 의한 동력 이득(power gain)이다. 따라서, 다음과 같다:
질량 유동의 보존은 일정한 Auρ를 의미한다. 상기 방정식을 Auρ로 나누면 다음과 같다:
관계식 
을 사용하여 θ로부터 r로 변수를 변경하면 다음과 같다:
이상 기체 법칙 pV = nRT로부터, 우리는 다음을 얻는다:
몰 질량 mw는 가스 1 몰의 중량이다. 따라서, p/ρ는 가스 온도를 나타낸다.
이러한 치환에 따르면, 우리는 다음과 같은 매우 간단한 미분 방정식을 얻는다:
이러한 방정식은 사용된 가스의 성질과 무관하다. 첫 번째 항은 반경을 가로지르는 가스의 열 에너지 손실이다. 두 번째 항은 터빈에 의한 일 이득이다.
가스 유동은 일정한 TVγ-1을 의미하는 단열적인 것으로 가정한다. 가스 체적 V는 면적 A에 걸친 가스 유동 속도 u의 Au에 비례한다. 따라서, 
이고, 다음과 같이 된다:
우리는 일정한 w 및 변화하는 깊이 
, 즉 채널의 반경 r에 대한 선형 테이퍼를 갖는 A = wd를 선택한다. r = r0 경우 d = d0인 것에 주목하자. 나선형 채널의 반경 및 길이가 각도 θ에 따라 지수적으로 증가하기 때문에, 채널 깊이 d는 채널 길이 
에 따라 지수적으로 감소한다.
이러한 채널의 기하 형상에 따르면, 우리는 하기의 같은 미분 방정식을 얻는다:
초기 조건은 r = r0인 경우 T = T0이다. 미분 방정식의 해는 다음과 같다:
도 3은 비 
이 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1.0인 경우 터빈을 가로지르는 온도 강하 T/T0 대 반경 r0=1㎝ ≤ r ≤ r1=4㎝의 플롯이다. 우리는 r0 = 1㎝, d0 = 2㎝, 최대 나선 반경 r1 = 4㎝, c = 0.2, w = 0.3㎝, 및 γ = 1.4를 선택한다.
효율은 
이고, 여기서 TH = T0이 가스의 높은 연소후 온도 및 TL이 가스의 낮은 출구 온도이다. 
= 1.0에서, 효율은 60%만큼 높다. ω = 377 rad/s(60Hz)에서, u0 = 377 ㎝/s, 즉 미풍 속도(시속 15km 미만)이다. 가스는 1000K에서 400K(127℃)까지 냉각된다.
지수적 나선에서의 가스의 등온 압축에 대한 압력 변화
우리는 이전 부분에서의 가스의 단열 팽창 대신에 등온 압축에 대하여 상기 분석을 반복한다. 이러한 분석은 열 펌프의 성능을 이해하는데 중요하며, 열 펌프에 대해 등온 과정이 열 또는 냉기 생성의 효율을 향상시킨다.
열 에너지는 작동 가스와 환경 사이에서 교환될 수 있다. 등온 과정에서는, 일정한 가스 온도 T로 인해 가스의 내부 에너지 Qgas = αnRT는 변화하지 않는다. 공기의 경우, 가스 분자의 자유도(즉, 5)를 2로 나눈 값인 α = 2.5이다.
일정한 T를 갖는 등온 과정의 경우, 단열 과정에 대한 미분 방정식 
에서 첫 번째 항 
이다. 항 
에서 행해진 일은 환경으로 전달되는 열이다. 등온 과정의 경우, 열 전달은 
이다. 등온 가스 유동의 미분 방정식은 다음 방정식으로 정리된다:
등온 과정의 경우, pV = nRT는 일정한 T로 인해 일정하다. 속도 u는 Aup = Aup = A0u0p0이 주어진 값 A0, u0, p0에 대한 상수가 되는 조건을 만족한다. 상기의 미분 방정식은 다음과 같이 된다:
유사한 테이퍼 인자 c로 상기의 미분 방정식을 풀면, 우리는 다음과 같은 압력비를 갖는다:
도 3은 비 
이 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25인 경우 r0=2㎝ ≤ r ≤ r1=16㎝의 범위의 r에 대한 압력비를 플롯한다. 우리는 c = 0.025(d0=4.5㎝ ≥ d ≥ d1=3㎝) 및 폭 w = 1㎝를 갖는 테이퍼를 선택한다.
미지의 출구 속도 u0은 나선의 2개의 단부에서의 압력, 즉 p0 및 p1에 의해 결정된다. 속도 u0은 주어진 
에 대한 상기의 방정식의 해가 되도록 조정될 것이다.
압력은 각속도 ω 및 압축기 반경에 따라 선형적으로 증가한다. 유동 속도 u0이 느려짐에 따라 압축이 증가하는데, 이는 보다 작은 체적의 가스 유동에 대해 동일한 일이 행해지기 때문이다.
유동 속도 u0은 등온 압축의 경우의 유동 방정식의 보존 A0u0p0 = Aup에 의해 림 유동 속도 u1과 관련된다. 압력비 방정식에 
를 대입하면 다음과 같다:
c = 0의 경우, 우리는 간단하게 
을 갖는다. ω 또는 반경 r을 증가시킴으로써, 중심을 향한 가스 유동이 느려진다. 가스 유동이 느려짐에 따라 압축이 증가한다.
테이퍼식 보어는 압축비를 증대시킬 수 있다. 높은 압축비를 얻기 위한 다른 방법은 다중 스테이지로 공기를 압축하는 것이다. 나선형 압축기의 스테이지(stage)는 3D 적층 인쇄에 의해 제조될 수 있다. 고효율의 열 기관을 위해서는, 20을 초과하는 높은 압축비가 필요하다.
공기 조절 및 태양열 담수화는 2만큼 작은 압축비를 사용할 수 있는데, 이러한 경우, 우리의 나선형 압축기는 나선형 테이퍼 없이 또는 다중 나선형 스테이지를 사용하지 않고서도 효과적일 수 있다.
새로운 DC 호모폴라 모터 발전기 및 모터
열 펌프는 일을 이용하여 저온으로부터 고온으로 열을 이동시킨다. 원동력은 전기 모터에 의해 제공될 수 있다. 열 기관은 열을 일로 변환한다. 원동력은 전기 발전기에 의해 전기로 변한다. 우리는 전기 발전기와 모터의 재설계에 착수했다. 에디슨, 테슬라, 스타인메츠(Steinmetz)와 같은 선구자들은 그 당시에 이용 가능한 기술 때문에 좌절했다. 우리는 이제 발전기를 현대의 기술로 재설계하는 것을 잘 해서, 발전기를 소형이고 효율적이게 할 수 있다.
최초의 전기 발전기는 1830년경에 마이클 페러데이에 의해 시연되었다. 패러데이의 호모폴라 DC 디스크 발전기는 비효율적이었다. 그 후에, 세 가지 주요 기술적 결함이 여기에서 확인된다. 패러데이 발명의 기하 형상도 또한 잘못이 있었다.
첫 번째 문제는 강력한 영구 자석이 없다는 것이었다. 강력한 영구 자석이 없기 때문에, 패러데이 및 헨리(Henry)는 대신에 운동 또는 전기의 유도에 대형 전자석을 사용해야 했다. 두 번째 문제는 현대의 가스 터빈과 같은 고속 열 기관이 없다는 것이었다. 자석은 증기 기관의 느리지만 큰 토크를 변환하기 위해 강력해야 한다. 세 번째 문제는 전압 및 전류의 디지털 및 솔리드 스테이트 제어를 위한 솔리드 스테이트 전자장치가 없다는 것이었다. 유도 코일 및 변압기에 의한 전압 제어는 번거롭다.
현대 기술은 이들 문제를 해결했다. 우리는 강력한 자기장 강도를 갖는 희토류 자석을 가지고 있다. 고속 터빈은 피스톤 증기 기관보다 훨씬 빠르게 작동한다. 솔리드 스테이트 고출력 전자장치는 전압 및 전류의 유연한 제어를 제공한다. 우리는 우리의 터빈과 통합된 호모폴라 DC 발전기를 다시 발명한다. 발전기는 패러데이보다 높은 전력 및 전압으로 인해 소형이다. 브러시 또는 정류자가 필요하지 않다. 와전류 및 자기 이력 손실이 없으므로 효율이 높다.
우리는 파이어플라이 기술의 일부로서 새로운 DC 발전기를 채용한다. 우리는 LED 조명, 자동차 운전 및 배터리 충전에 대해 DC가 AC보다 유용하다고 믿는다. 디지털 제어 및 솔리드 스테이트 전자장치는 시간 경과에 따른 DC 전압 및 전류의 용이한 변경을 가능하게 한다. 태양열 발전된 DC를 시설망 AC로 변경하기 위해 시설망에 연결된 태양 전지 패널에 요구되는 것과 같이 DC를 AC로 변환할 필요가 없다.
우리는 1996년에 우주 왕복선 내에서 실행된 우주 테더 실험(Space Tether Experiment)에 의해 우리의 발전기를 설명한다. 2㎞ 길이의 금속 코어 테더는 낮은 적도 궤도에서 동쪽으로 비행하는 우주 왕복선을 더욱 외측의 소형 인공위성에 연결했다. 생성된 전류가 1A가 된 후에, 테플론 코팅된 테더가 전리층(ionosphere) 상으로의 그러한 전류의 핀홀 누설을 일으켜, 테더를 녹게 하여 인공위성의 손실을 야기하였다.
적도에서 약 25 마이크로-테슬라의 지구 자기장은 북쪽을 가리켜서, 10 km/s의 궤도 속도로 테더를 가로질러 간다. 전자는 우주 왕복선으로 내측으로 흘러들어간 후에, 거기에서 전리층으로 누설되었다. 생성된 전압은 V = E.d = |v||B|d = 10,000m/s × 0.000025T × 2000m = 5000 볼트이다. 테더는 인공위성 단부에 대한 전압이 왕복선 단부에 보다 근접하여 3500 볼트인 곳에서 파손되었다. 3500 볼트의 고전압은 테플론 배리어를 뚫고나가고, 전자는 전리층을 통해, 주위 전리층 내로의 추가적인 소산을 위해 우주 왕복선 상으로 점핑한다.
우주 테더 실험은 또한, 우주 왕복선을 전방으로 가압하도록 기전력을 발생시키기 위해 강성 테더를 통해 전류를 유도함으로써 우주 왕복선을 보다 높은 궤도로 추진시키는 모터일 수도 있다. 이러한 전방으로의 가압은 우주 왕복선을 보다 높은 궤도로 상승시킬 수 있다. 발전기와 비교하면, 푸시로드가 훨씬 짧고 강성일 수록, 훨씬 높은 전류가 흐르고, 다중 로드가 모터에 필요할 수 있다. 2개의 평행한 로드의 단부들 사이의 8자형 배선(figure 8 wiring)은 회로 폐쇄에 필요하다.
우리의 호모폴라 DC 발전기는 유사한 기하 형상을 갖는다. 우리는 우주 왕복선이 자전하는 지구에 대해 고정된 것, 즉 지구가 로터가 되는 한편, 우주 왕복선이 스테이터가 되는 것으로 고려한다. 우리는 남극이 축방향 하향으로 향하여 있는 상태의 회전하는 디스크 자석을 사용한다. 회전 자기장은 디스크 자석 아래에 배치된 스테이터 와이어에 전기장을 생성한다. 전리층을 통한 전류 귀환을 갖는 긴 스테이터 와이어 대신에, 우리는 권선을 통해 스테이터 와이어의 다음 루프로 전류를 귀환시킨다. 우리는 환상 솔레노이드(toroidal solenoid)로서 전체 궤도를 배선하여 전체 자기장을 이용할 수 있다.
새로운 호모폴라 발전기가 도 4에 도시되어 있다. 우리는 두 가지 유추에 의해 우리의 발전기를 설명한다. 도 4의 상부 도면은 패러데이 호모폴라 DC 발전기의 유추에 기초하고 있다. 도 4의 하부 도면은 우주 테더 실험의 유추에 기초하고 있다. 자기 로터는 자전하는 지구와 유사하다. 스테이터 코일은 전류 귀환을 갖는 우주 테더와 유사하다.
패러데이 호모폴라 디스크 발전기는 디스크 둘레부에서 원주 속도 v로 이동하는 회전 디스크를 갖는다. 둘레부는 강도 B의 단일 자기 갭을 통과한다. 반경방향 전기장 E = v × B가 유도되어, 전류가 디스크 중심으로부터 둘레부로 흐르게 한다.
생성된 전류는 디스크 둘레부에 있는 브러시에 의해 수집된다. 수집된 전류는 외부 회로를 통해 디스크의 중심으로 귀환되어, 오옴 히터(ohmic heater)와 같은 전기 기기에 전력을 공급한다.
패러데이와 유사한 우리의 새로운 기하 형상은 도 4의 상부 도면에 도시되어 있다. 우리는 원통체의 외측 표면 상에 북극을 갖고 원통체의 내측 상에 남극을 갖는 영구 자석의 원통체를 사용한다. 영구 자석의 원통체는 발전기의 로터를 형성한다.
우리의 기하 형상은 패러데이와 상이하다. 우리의 로터는 원형 자석이다. 패러데이의 로터는 자극들 사이에서 회전하는 금속 디스크이다. 와전류가 자극 주위의 디스크로 흘러서 손실을 야기한다.
우리의 스테이터는 로터와 동심인 외측 원통체이다. 스테이터와 로터 사이의 공극은 1 밀리미터 정도로 작게 되어 있다. 반경방향 자기장 B가 속도 v로 이동하여 상향으로 지향된 전기장을 유도할 때, 전기장 E = v × B가 스테이터 원통체의 길이를 따라 생성된다. 금속 스테이터 원통체의 2개의 단부는 반대로 대전된 전극을 포함한다.
전압은 전계 E와 원통체의 길이 벡터 d의 스칼라 곱이다. 자기 로터 원통체가 깊이 d = |d|를 갖는 경우, 생성된 전압은 V = E.d = |v||B|d이다.
발전기로서 작동하는 경우, 이러한 원통형 호모폴라 DC 발전기는 전류 I를 생성한다. 생성된 전력은 PE = IV = I|v||B|d이다.
전력은 전류 I로 인한 자기장을 통해 기계적 동력을 소산시킴으로써 생성된다. 암페어의 법칙에 의하면, 자기장 B에서 거리 d에 걸쳐 흐르는 전류 I에 의한 힘 F는, 에지 효과를 무시하면, F = I|B|d이다. 이러한 힘은 터빈에 의해 생성되는 기계적 동력에 저항하도록 작용한다.
이러한 자기장은 기계적 동력 PM = F|v| = I|B|d|v| = IV = PE로 일을 수행하며, 이 일은 전력 PE로 변경된다. 에너지는 기계적 동력으로부터 생성된 정확하게 동일한 전력으로 보존된다.
우리의 발전기는 원통체 내에 소산 전류 루프를 갖지 않는데, 이는 전류의 유일한 귀환 경로가 스테이터 원통체의 외부에 있기 때문이다.
제한된 전압 V = E.d = |v||B|d를 갖는 원통체 대신에, 우리는 전압을 직렬로 연결함으로써 전압을 증가시킬 수 있다. 그렇게 하는 하나의 방법은, 도 4에 도시된 바와 같이, 스테이터 원통체 대신에 n 턴의 스테이터 솔레노이드를 사용하는 것이다. 솔레노이드 내의 유도 전압은 이제 V = n||E.d|| = n|v||B|d이다.
우주 테더 실험과 유사한 발전기의 다른 구성이 도 4의 하부에 도시되어 있다. 스테이터 솔레노이드는 원통축을 따라 자기축을 갖는 자기 로터 원통체 아래에 배치된다. 다른 스테이터 솔레노이드는 또한 자기 로터 위에 배치될 수 있다. 솔레노이드는 별도의 전압원으로 작동하거나, 전압을 2배로 하기 위해 직렬로 연결될 수 있다. 스테이터와 로터 사이의 유도력은 중력에 대한 자기 베어링으로서의 역할을 하여 로터를 부상시킨다.
예로서, f = 100Hz로 회전하는 반경 r = 16㎝인 후이 터빈을 고려하자. 희토류 자석으로부터의 자기장은 강도 B = 1T를 갖고, 자석의 높이는 d = 1㎝이다. 스테이터 권선은 n = 100 턴을 갖는다. 전기장 강도는 |E| = |v × B| = 2πrf × 1T = 100.5 V/m이다. 유도된 전압은 V = n|E|d = 100.5V이다. 발전기의 전력은 P = IV이고, 외부 회로에 의해 인출된 전류는 터빈의 토크력과는 반대 토크를 생성한다.
이러한 후이 발전기는 또한 후이 모터로서 작동할 수 있다. 암페어의 법칙에 의하면, 자기장 B에서 거리 d에 걸쳐 흐르는 전류 I로 인한 힘 F는, 에지 효과를 무시하면, F = I|B|d이다. 로터가 회전하지 않을 때, 제로 속도 벡터 v = 0에 대한 전기장 E = v × B는 존재하지 않는다.
후이 발전기를 후이 모터로서 작동시키기 위해, I에 대한 전류 제어기는 F = I|B|d의 힘을 제공할 필요가 있다. 전류 제어기는 모터의 단자 전압 V에 관계없이 전류 흐름을 고정시킨다. 보다 높은 속도에서, 유도된 전기장은 보다 강해져서 보다 큰 유도 전압 V를 생성한다.
전류 제어기는 전력 P = IV가 기계적 동력으로 변환되는 비율을 결정한다. 현대의 솔리드 스테이트 전자장치는 효과적인 전류 및 전압 제어를 제공하여 토크 생성 및 속도 유지를 용이하게 한다.
후이 모터는 많은 이점을 갖는다. 토크 및 속도 제어가 간단하다. 우리는 100% 효율에 근접하게 달성할 수 있다. 유도 모터는 와전류 및 자기 히스테리시스로 인해 10+%의 에너지 손실을 겪는다. 우리의 모터는 와전류를 갖지 않는다. 우리는 무겁거나 손실이 있는 자기 코어를 사용하지 않는다. 우리의 새로운 기하 형상은 모터를 작게 할 수 있다. 우리의 DC 모터는 화학 전지, 수퍼 커패시터(super capacitor), 태양 전지 패널 또는 우리의 DC 발전기와 같은 DC 전원을 직접 사용할 수 있다. 우리는 DC에서 AC로의 손실이 있는 왕복 변환을 회피한다.
테이퍼식 나선형 터빈의 제 1 응용: 호모폴라 발전기를 갖는 가스 터빈
우리의 열 터빈은 브레이튼 열역학 사이클을 사용하여 열을 일로 변환한다. 사이클의 압력 대 체적 그래프는 도 2의 하부에 도시되어 있다. 브레이튼 사이클의 열역학적 효율은 공기의 단열 및 등엔트로피 압축(1→2), 가스의 등압 급열 및 팽창(2→3), 가스의 단열 및 등엔트로피 팽창(3→4), 및 가열 목적을 위한 터빈을 지난 가스의 등압 냉각(4→1)의 4개의 단계를 포함한다.
이러한 브레이튼 사이클 열 기관 효율은 다음과 같이 분석된다. 브레이튼 사이클 전체에 걸쳐 가스의 온도 T 및 압력 p를 고려하자. 가스의 단열 압축의 경우, 우리는 일정한 pVγ 및 TVγ-1을 갖는다. 단열 계수는 다원자 가스의 경우 γ = 1.4이다. 공기 및 연료가 1 bar의 압력과 300K(27℃)의 온도에 있다고 가정하자. 8배만큼의 체적의 단열 압축은 압력을 18.38 bar로 증가시키고 온도를 689.2K(343.3℃)로 상승시킨다.
연료-공기 혼합물이 일정한 압력하에서 연소되는 경우, 연소 열은 연소된 혼합물의 체적을 증가시켜, 체적이 팽창함에 따라 일을 제공한다. 등압 팽창 후에, 연소된 공기는, 연료-공기 혼합물의 단열 압축과는 반대로, 나선 출구를 향해 압력이 강하함에 따라 더 팽창한다. 일은 나선 내부의 단열 팽창 가스에 의해 추가로 발생된다.
일 W는 브레이튼 사이클의 압력 대 부피 플롯 내의 면적이다. 단열 팽창의 경우, pVγ는 일정하다. 압력 PL 및 PH는 압축기 전후의 저압 및 고압이다. 체적 VL 및 VH는 압축기 전후의 저압 및 고압 체적이다. 브레이튼 사이클에 의해 실행된 일은 다음과 같다:
상수 C, C'는 가스 체적의 초기 조건에 의존한다. 각 사이클에 대한 연소 열 Q에 의해 재정규화하면, 이러한 브레이튼 사이클 열 기관의 효율은 다음과 같다:
브레이튼 사이클은 압력 PL 및 PH를 갖는 사이클의 2개의 단계에서 일정한 압력(등압)을 갖는다. 효율은 압력비 
또는 압축비 
에 따라 달라진다. 카르노 열 기관 효율은 
로 주어지는데, 이는 저온 대 고온의 비 
에 따라 달라진다.
압축기에 의한 8배의 체적 압축을 가정하면, 압력은 일정한 pVγ에 따라 18.38배만큼 증가된다. 브레이튼 사이클 효율은 다음과 같다:
후이 열 기관의 구현예가 도 5에 도시되어 있다. 하부는 가능하게 테이퍼지는 폭을 갖는 일정한 깊이의 나선을 가지는 압축기 원통체이다. 사용될 수 있는 대안적인 압축기는 도 9에 도시된 아르키메데스 스크롤 압축기이다. 상부는 테이퍼지는 깊이를 갖는 일정한 폭의 나선을 가지는 팽창기 원추체이다. 압축 공기는 압축기의 상부 중심으로부터 팽창기의 하부 중심으로 통과한다. 연료는 팽창기의 중앙 연소실에서 점화하기 위해 압축기의 하부 중심으로부터 작은 튜브를 통해 흐른다. 연소 이후의 팽창하는 공기의 가압력은 단일 압축기-팽창기 조립체를 회전시켜, 원동력을 제공한다. 전기는 조립체의 하부에서 호모폴라 발전기를 통해 생성된다.
테이퍼식 나선형 터빈의 제 2 응용: DC 모터 구동식 열 펌프/제습기
열 펌프 및 냉동은 하이드로플루오로카본(HFC)과 같은 냉매를 사용한다. 가스상의 HFC의 압축은 냉각시에 액화되는 가압된 HFC 내로 열을 펌핑한다. 감압하에서 액체 HFC의 증발은 환경으로부터 열을 제거한다. 이러한 액화-증발 사이클은 랭킨 사이클 열 펌프 과정을 구성한다. 그러나, HFC와 같은 냉매는, 대기중으로 방출되면, 동일한 체적의 이산화탄소에 대해 1000배 초과의 열을 포획하는 강력한 지구 온난화 가스이다. HFC는 선진국의 경우 신속하게 교체될 예정에 있다.
비행기는 랭킨 사이클 열 펌프를 사용하는 대안적인 공기 조절 방법을 사용한다. 공기가 제트 엔진의 압축기로부터 추기된다. 공기 압력의 완만한 감소는 추기된 공기를 신속하게 냉각시킨다. 나는 객실 공기 통기구(cabin air vent)로부터의 냉각된 공기에 종종 미스트(mist)가 생기는 이유를 종종 궁금해한다. 미스트는 증발 냉각으로 공기를 더욱 냉각시킨다. 나는 미스트가 증가된 공기 압력하에서 포화 수분의 연무화로부터 나온다는 결론을 내렸다. 습한 공기의 압축은 공기 수분의 응축 열을 제거할 수 있는 이점을 갖는다.
이러한 관찰은 냉기 및 응축수를 생성하기 위해 후이 나선형 압축기의 사용에 영감을 주었다. 여기서, 우리는 열역학적 이점을 설명한다. 여기서, 우리는 도 3의 하부에 도시된 바와 같은 후이 사이클로 명명한 새로운 열역학적 열 펌프 과정을 소개한다. 후이 사이클은 2개의 열역학적 사이클을 병합한다: 등온 및 단열 단계를 갖는 카르노 사이클과, 등압 및 단열 단계를 갖는 브레이튼 사이클. 우리는 브레이튼 사이클의 단열 과정을 등온 과정으로 대체한다. 등온 압축은 필요한 일의 양을 감소시킨다. 등온 팽창은 환경으로부터의 주변 열을 사용하여 생성된 일을 증대시킨다.
후이 사이클은 내장형 열교환기와 함께 압축기 및 팽창기를 필요로 한다. 열교환은 나선형 채널들 사이를 유동하는 주변 공기에 의해 달성될 수 있다. 후이 사이클의 단계가 도 3에 도시되어 있다. 3개의 온도가 있다: 주변 온도 Ta, 열이 추출되는 고온 TH 및 냉기가 생성되는 저온 TL.
단계 1→2는 TH에서의 가스의 등온 압축 단계이며, 압축 일 
을 필요로 하고, 여기서 pH, pL은 등압 단계의 고압 및 저압이다. 이러한 일은 가스의 온도를 상승시키지 않고서 소산되는 압축 열 Qc로 완전히 변화된다.
단계 2→2a는 고온 TH로부터 주변 온도 Ta로의 가스의 등압 냉각이다. 단계 2a→3은 주변 온도 Ta로부터 저온 TL로의 가스의 추가적인 등압 냉각이다.
단계 3→4는 저온 TL에서의 가스의 등온 팽창 단계이며, 흡수 열 Qe에 의해 팽창 일 We을 생성하고, 여기서, 
이다.
단계 4→4b는 저온 TL로부터 주변 온도 Ta로의 가스의 등압 가열이다. 단계 4b→1은 주변 온도 Ta로부터 고온 TH로의 가스의 추가적인 등압 가열이다.
우리는 열을 재사용하기 위해 역류 열교환기를 사용한다. 단계 2→2a의 경우, 발생된 열은 단계 4b→1에 의해 정확하게 흡수된다. 단계 2a→3의 경우, 발생된 열은 단계 4→ 4b에 의해 정확하게 흡수된다.
우리는 다음과 같이 가열 및 냉각 성능을 생각한다. 가열 성능 계수 COPh는 생성된 열 Qh를 실행된 순 일 Wnet = Wc - We로 나눈 것이다. 따라서, 다음과 같다:
냉각 성능 계수 COPc는 등온 팽창에 의해 생성된 냉기 Qe를 실행된 순 일 Wnet = Wc - We로 나눈 것이다. 따라서, 다음과 같다:
Ta = 27℃(300K)로부터 TH = 77℃(350K)의 물의 가열, 및 Ta = 27℃(300K)로부터 7℃(280K)로의 공기의 냉각을 고려하자. 우리는 
및 
를 갖는다.
나는 오존을 고갈시키거나 열을 포획하는 CFC 또는 HFC와 같은 냉매의 압축이 공기를 직접 압축하는 것보다 선호되는 이유를 물어보았다. 후이 사이클은 이상적인 열 펌프 효율을 달성할 수 있다. 일이 팽창 가스로부터 회수된다. 반대로, 냉매의 증발은 일을 생성하지 않는다. 나는 액화에 대한 선호가 우리가 효과적인 냉매에 의한 액화를 더 잘하는 것에 있다고 추정한다. 효과적이고 콤팩트한 나선형 터빈에 따르면, 우리는 공기를 효과적으로 압축하여 냉매의 사용을 회피할 수 있다.
더욱 양호하게는, 습한 공기를 압축함으로써 압축 열의 제거시에 공기 중의 수분을 응축시킨다. 응축 열이 분산된다. 전통적인 공기 조절은 습기 및 응축 열을 제거하기 위해 냉매 가스의 증발에 의해 생성된 냉기의 사용을 필요로 한다. 공기의 제습은 동일한 공기 온도 강하에 대한 공기 조화기의 일 부하를 증대시킨다. 공기 조화기의 응축기가 건물 외측에 위치되는 도시의 고층 건물에서는, 응축수가 사람들에게 종종 떨어져서, 보행자에게 짜증(irritation)을 유발하게 된다. 우리는 밀폐된 응축기 내측에 응축수를 수용함으로써 이러한 짜증을 제거한다. 수집된 수분은 튜브에 의해 비워지거나, 인간 및 식물 소비를 위해 수집될 수 있다.
물의 증발은 온도에만 의존하는 증기압을 가한다. 그러한 증기압은 습한 공기에 의해 가해진 압력의 일부이다. 산소(19 체적%), 질소(80 체적%), 아르곤(1 체적%) 및 물(습도 레벨에 따라 달라지는 비율)과 같은 공기의 각 성분 가스는 각자의 증기압을 가하여 해수면에서 약 1 bar인 총 대기압이 된다.
공기의 습도는 공기 중의 수분 함량을 100% 습도 공기 중의 수분 함량으로 나눈 것으로 정의된다. 이슬점은 100% 습도 공기 중에서 수분이 응축하기 시작하는 시점까지 공기가 냉각될 때의 온도로 정의된다. 이슬점 및 공기 온도는 100% 습도에서 동일하다.
100 그램의 공기에 대해 2 그램의 물 및 1 그램의 물을 각각 함유하는, 예를 들어 25℃ 및 14℃에서의 100% 습도의 공기를 취하자. 따라서, 25℃에서의 50% 습도 공기의 이슬점은 14℃이다.
우리가 25℃에서의 100% 습도 공기의 압력을 2배로 하면 공기 수분에는 무슨 일이 일어날까? 초기에는, 모든 공기 성분의 증기압이 2배가 된다. 압축에 의해 가열되는 습한 공기는 다시 25℃까지 냉각된다. 수증기압은 온도에만 의존하기 때문에, 압축으로 인해 증가된 수증기압은 물이 응축되게 한다. 공기 중의 수증기의 절반은 25℃에서 물의 동일한 증기압으로 회복되기 위해 응축되어야 할 것이다.
고습 공기의 경우, 우리가 공기를 2배 내지 3배만큼 압축하면 공기 중의 많은 물이 응축된다. 그러한 응축은 상당량의 응축 열을 방출한다. 25℃에서의 80% 습도 공기에 대해 2배만큼의 압력을 증가시키는 것을 고려하자. 그러한 공기는 100 그램의 습한 공기당 1.6 그램의 물을 갖는다. 압력은 0.6 그램의 물을 배출시킨다. 그램당 2200 줄(joule) 초과의 증발된 물에서, 압력은 0.6 그램의 응축된 수분에 대한 1320 줄의 에너지를 방출시킬 것이다.
이러한 열은 20℃로 냉각된 100 그램의 공기의 잠열과 비교하여 현저하다. 20℃로의 공기 냉각은 제거되는 응축 열과 필적하는, 열 
을 제거한다. 25℃에서의 80% 습도 공기의 압력을 4배가 되게 하면, 1.2 그램의 수증기가 배출될 것이다. 공기에서 제거된 물은 인간 또는 식물 소비를 위한 물을 생성한다.
도 6은 고온수, 냉각 공기 및 응축수를 생성하기 위한 후이 열 펌프를 도시하고 있다. 상부에 있는 상부 압축기는 공기를 압축기의 하부 중심으로부터 열교환 기 튜브 내로 압축시킨다. 튜브는 물 탱크의 중앙을 통과하여 공기 압축 및 물 응축의 열을 제공해서 탱크 내의 물을 가열한다. 응축수와 냉각된 압축 공기는 하부 탱크에서 수집된다. 압축 공기는 상부에 있는 팽창기를 구동하여, 공간 냉각을 위한 냉각된 공기를 제공한다. 압축 공기는 또한, 기기에 의한 소비 및 조명을 위한 전기 및 일의 생성뿐만 아니라, 냉각을 위해 실내의 팽창기로 나일론 튜브를 거쳐서 분배될 수도 있다.
테이퍼식 나선형 터빈의 제 3 응용: 태양열 담수화
우리는 태양열 담수화를 위해 나선형 압축기를 사용할 수 있다. 압축기를 구동하는 전기는 태양열 또는 태양광 발전에 의해 생성될 수 있다. 태양 에너지는 감압된 공기 압력에서 해수를 끓이는 열로서 수집될 수 있다. 우리의 나선형 압축기는 태양열로 증발된 염수로부터 증기를 응축시키는데 사용될 수 있다. 저압 증기의 압축은 증기가 응축되는 온도를 상승시킨다. 응축 열은 감압하에서 보다 많은 염수를 증발시킬 수 있다.
태양열 담수화는 내가 중국 티베트의 라싸(Lhasa)를 산책하고 있는 동안 영감을 받았다. 나는 큰 쉬잇쉬잇 소리(hissing sound)를 들었고, 태양열 온수기에서 나오는 증기를 보았다. 대기압이 절반으로 감소하는 경우 80℃에서 물이 끓는다. 칭하이(Qinghai)와 티베트 사이의 세계에서 가장 높은 철도 패스를 통과하는 철도 차량에서 식사를 할 때 요리가 빨리 미지근해졌다. 나는 요리의 전자레인지 재가열을 요구했는데 별로 소용이 없었다: 나의 에그 푸영(egg foo yung)은 희박한 공기 중에의 음식 수분의 증발에 의해 빠르게 식었다.
우리는 이러한 저압 환경을 높은 물기둥의 헤드에서 재현할 수 있다. 압력이 절반으로 감소된 5 미터의 물기둥의 상부에서는 80℃에서 물이 끓는다. 10 미터의 물기둥은 물이 많이 증발하는 상부에서 제로 압력을 갖는다. 결과적인 증기압은 물기둥이 하강하게 한다. 우리는 상부에서 거의 진공을 생성하도록 증기를 제거하기 위해 펌프를 필요로 한다.
도 7은 후이의 태양열 담수화 장치를 도시하고 있다. 통상의 태양열 온수기의 경우, 태양열은 다른 진공 유리 튜브 내에 수용되는 유리 튜브 내의 물을 가열하도록 포획된다. 외측의 유리 튜브는 태양광을 내측의 물 가열 튜브 상에 반사시키는 반사성 반 표면(reflective half surface)을 갖는다. 후이 태양열 온수기는 물의 수직으로 배치된 튜브를 따라 태양광을 집광시키기 위해 반원추형과 같은 형상인 광의 대형 리플렉터(reflector)를 사용한다. 리플렉터는 α = 0인 북쪽으로부터의 태양의 수평각으로 정의되는 방위각 위치 α에서 태양을 추적한다. 리플렉터는 또한 태양광이 수평선과 이루는 각도 β로 정의되는 고도 또는 앙각에서 태양을 추적한다. 천정(zenith)에 있는 바로 머리 위의 태양은 β = 90°이다.
도 8은 포물면 원추 리플렉터를 도시하고 있다. 우리는 포물면 원추의 중심선을 정점선(apex line)이라고 부른다. 정점선은 태양의 방위각 위치에 따라 수평선에서 태양을 향해야 한다. 고도에서 태양을 추적하기 위해, 정점선의 구배각(gradient angle) δ는 반사된 광이 염수가 가열되는 초점의 수직선 상에 수평으로 비춰지도록 해야 한다.
원추의 수평 단면은 수직 z-축에 초점을 갖는 포물선이다. 그러한 포물선 단면의 초점의 수직 위치는 태양의 앙각과 원추의 경사에 따라 달라진다. β = 90°인 천정에서의 바로 머리 위의 태양을 고려하자. 포물면 원추가 δ = 45°의 앙각으로 경사진 경우, 머리 위의 태양광은 염수의 기둥 상에 수평으로 반사된다. 리플렉터는 원추가 원점 (0, 0, 0)으로부터의 광선에 의해 형성된다는 점에서 원추형이다. 원추의 표면은 원추의 광선인 탄소 섬유 로드 상에 마일라(Mylar)의 재단된 직물(cutout fabric)을 매닮으로써 형성될 수 있다. 편평한 마일라 시트는 포물면 원추의 곡선 표면에 맞춰진다.
도 8에 도시된 바와 같이 원추에 대해 δ = 45°의 앙각을 고려하자. 기둥의 하부 중심이 (x, y, z) = (0, 0, 0)이 되게 하자. 레벨 z에서의 포물선 단면은 (x, y, z) = (0, -z, z)에 위치된 정점(포물선의 최소값)을 갖는다. 도 8에 도시된 바와 같이 태양이 β = 90°로 바로 머리 위에 있는 경우, 광은 초점 길이 p = z로 (x, y, z) = (0, 0, z) 상에 포커싱된다.
β > 0인 보다 일반적인 경우를 고려하자. 포물면 표면은 주어진 수직 레벨 z에 대해 x2 = 4p(y + p)이다. 우리는 태양광이 수직 기둥에 수평으로 부딪치도록 태양광을 반사시키고자 한다. 정점선의 결과적인 경사는 
이고, 이는 δ = 45°일 때 천정 β = 90°에서의 태양의 경우, 및 δ = 90°일 때 β = 0°를 갖는 수평선 상의 태양에 대해 확인된다. 정점선은 y-z 평면에서 방정식 y = ztanδ가 된다. 그러면, 포물면 원추 표면은 x2 = 4ztanδ(y + ztanδ)이다.
리플렉터가 방위각 위치에서 태양을 잘 추적하는 것이 중요한 반면, 고도에서 태양을 추적할 수 있는 것은 덜 중요하다. 결과적인 초점선(focus line)은 z-축에 유지되지만, 이 초점선은 태양의 고도에 따라 그러한 축에서 위 또는 아래로 시프팅될 수 있다. 따라서, δ = 60° 및 δ = 75°와 같이, 리플렉터에 대해 2개의 사전설정된 경사 δ를 갖는 것이 충분할 수 있다. δ = 60°로부터 δ = 75°로의 전이는 포물면 원추의 종이접기 펼침에 의해 행해질 수 있다.
수두에서의 압력의 감소는 보다 낮은 온도에서 물이 끓게 한다. 온도에만 의존하는 물의 증기압이 주변 압력과 동일할 때 물은 끓는다. 도 7에 도시된 바와 같이, 담수화를 위한 핵심 단계는 저압 수증기를 압축하여 보다 고압으로 응축시키는 것이다. 나선형 압축기는 수증기를 제거하기 위해 수두 위에 배치된다.
압축 및 가열된 수증기는 나선형 압축기의 중심으로부터 물기둥의 중심 아래의 길고 얇은 튜브 내로 빠져나간다. 수증기가 주위 비등수와 교환하여 열을 생성함에 따라 물이 응축된다.
수증기가 응축됨에 따라, 상당량의 응축 열이 생성된다. 이러한 응축 열의 포착은 담수화의 효율을 크게 향상시킨다.
응축수는 도 7에 도시된 바와 같이 기둥의 하부에 있는 폐쇄된 용기에 수집된다. 담수(fresh water)는 감압될 수 있는 응축 챔버로부터 펌핑될 수 있다.
수두에서, 증발은 소금기를 농축시킨다. 이러한 무거운 고온 브라인(brine) 용액은 역류 열교환기를 통해 유입되는 염수에 그 열을 넘겨준 후에 배출된다.
담수화의 효율은 열역학적 한계를 갖는다. 염수의 증발 열은 담수의 응축 열보다 많다. 열은 태양에 의해 풍부하게 공급된다.
비효율성은 불완전한 열교환에서 기인한다. 열은 또한 단열에 의해 제한될 수 있는 대류에 의해 손실된다. 양호한 단열 및 열교환으로 인해, 우리는 높은 담수화 효율을 기대한다.
전기는 태양광 발전 또는 태양열 발전을 통해 태양에 의해 공급된다. 전기는 저압 수증기를 압축하는데 사용된다. 전기 에너지는 압축 열로 변환된다. 압축 및 응축 열 모두는 보다 많은 염수의 증발에 사용된다.
우리는 이것이 인간 및 식물 소비를 위해 해수를 담수화하는데 매우 경제적이고 지속 가능한 방식이 될 수 있다고 믿고있다. 염수를 마시는 것은 인도 아대륙(Indian subcontinent)에서 건강 문제가 되고 있다. 섬사람들은 또한 음용 및 청소 목적으로 태양열 담수화에 의지할 수도 있다.
통합형 열 터빈 및 발전기의 상세한 설명
도 5는 열 터빈 및 발전기의 단면도를 도시하고 있다. 열 터빈은 압축기(501), 열 챔버(502) 및 팽창기(503)를 포함하며, 수평 단면도가 도 5의 상부 및 하부에 4-나선형 디스크로서 도시되어 있다.
4개의 압축기 나선형 채널(504, 505, 506, 507)은 외측으로부터 공기를 압축하도록 회전한다. 그 후에, 압축된 공기는 압축기(501)의 중심으로부터 열 챔버(502) 내로 통과한다. 압축기가 일 방향(도면에서 시계방향으로 도시됨)으로 회전함에 따라, 가스는 압축기 나선형 채널에서 반대 방향(도면에서 반시계방향)으로 유동함으로써 압축된다.
가스 연소에 의한 열 생성의 경우, 가연성 가스는 연료 공기 혼합물이 점화하는 연료 노즐(508)을 통해 열 챔버(502)로 진입한다.
집광식 태양열 발전에 의한 열 생성의 경우, 태양광은 챔버(501)의 상부에 포커싱되며, 가능하게는 이 챔버가 유리 상부를 가져서 포커싱된 태양광이 챔버로 진입할 수 있게 한다.
하나의 터빈이 일 방향으로 회전함에 따라, 압축기(501) 및 팽창기(503)는 상부에서 아래로 볼 때 시계방향으로 도면에 도시된 동일한 방향으로 회전한다. 가스는 4개의 팽창기 채널(509, 510, 511, 512)에서 팽창한다. 가스는 터빈 회전의 반대 방향(반시계방향)으로 이들 채널에서 회전한다. 가스의 압력은 도시된 바와 같이 터빈을 시계방향으로 회전시킨다. 압력이 소비된 가스는 팽창기의 주변부에서 빠져나간다.
가스가 동일한 방향(반시계방향)으로 유동하더라도, 나선은 압축기(시계방향) 및 팽창기(반시계방향)에 대해 반대 방향으로 팽창한다.
팽창기 나선은 중앙 근처의 보다 깊은 깊이(513)로부터 출구 근처의 보다 얕은 깊이(514)로 감소하는 깊이에 의해 테이퍼져 있다. 이러한 테이퍼는 나선에서 압력을 느리게 방출할 수 있게 한다.
압축기 나선은 보다 높은 압축비를 유도하기 위해 테이퍼질 수 있다. 대안적으로, 우리는 단계적인 다중 압축기의 적층체를 이용할 수 있다. 압축 스테이지의 중심으로부터의 압축 공기는 원심 중심을 통해 다음 스테이지의 압축기의 림으로 안내된다. 우리는 테이퍼식 나선형 압축기 대신에 2개의 아르키메데스 나선을 포함하는 스크롤 압축기를 사용할 수 있다.
터빈은 터빈 케이싱 상에 고정된 회전축 상의 2개의 단부(515, 516) 주위로 회전한다. 우리는 원활한 회전을 위해 볼 베어링, 공기 베어링 또는 자기 베어링을 사용할 수 있다.
전기 발전기(517)의 상세사항이 도 4의 하부에 도시되어 있다. 우리는 도시된 바와 같이 로터 디스크의 상부 및 하부 상에 반대 자극을 갖도록 로터 디스크의 림 상에 자석(518)을 배치한다.
우리는 2개의 환상 솔레노이드를 자석의 상부 및 하부 상에 사용한다. 이러한 2개의 솔레노이드는 전압 출력을 2배로 하기 위해 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 2개의 솔레노이드는 터빈을 위한 자기 베어링으로서의 역할을 할 수 있다. 영구 자석(518)은 솔레노이드(519, 520)로부터의 자기력에 의해 부상된다.
2개의 단부(521, 522)는 DC 발전기의 단자를 형성한다. 외부 부하(523)는 생성된 전기를 소비한다. 부하 제어기가 터빈의 회전 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 높은 전압은 회전 속도를 증가시킨다. 낮은 외부 부하 저항은 전류 흐름을 증가시킨다. 높은 전류 흐름은 열 터빈에 의해 제공된 일에 강력한 토크 저항을 가한다.
열 터빈은 자동차의 기어 박스 또는 항공기의 터보프롭(turboprop)과 같은 외부의 기계적 부하에 직접적으로 일을 가할 수 있다. 생성된 전기는 화학 전지 또는 수퍼 커패시터를 통해 저장될 수 있다. 생성된 DC 전기는 DC-AC 인버전(inversion) 없이 저장된다. 저장된 DC 전기는 DC로서 회수되어 전기 모터를 구동시킬 수 있다. 전기 모터는 도 5에 도시된 조합된 압축기-팽창기-발전기-모터의 전기 발전기일 수 있다. 우리는 다른 모터를 필요로 하지 않을 수 있다.
공기 조화기 및 제습기의 상세한 설명
공기 조화기 및 제습기의 구현예가 도 6에 도시되어 있다.
하나의 구현예는 압축기(601)와 팽창기(602)의 단일의 조합된 터빈의 동일한 구조를 사용한다. 열 흡수를 위한 열 챔버가 필요하지 않다. 나선형 채널 사이에서의 강제 공기 흐름에 의해 열이 충분히 분산될 수 있다. 압축되고 부분적으로 냉각 된 공기는 추가적인 냉각을 위해 팽창기(602) 내로 직접 진입할 수 있다. 팽창기는 또한, 효과적인 개인 냉방을 위해 인체에 직접 저온 공기를 송풍하는 팬으로서의 역할을 한다.
부분적으로 냉각된 압축 공기를 압축기로부터 팽창기로 직접 보내는 대신에, 우리는 물 가열 탱크(604)로의 가스 열을 생성하는 열교환기(603)로 하향으로 압축 공기를 전환시킬 수 있다. 압축 공기의 냉각은 챔버(605)에서 응축되고 618을 통해 수집되는 수분을 생성한다. 저온수가 616에서 진입하여 물 탱크(604)에서 가열된다. 고온수가 617에서 추출된다.
그리고, 저온의 압축 공기는 주변 공기에 의해 추가로 냉각되어 도관(606)을 통해 팽창기(602)로 보내진다. 팽창기(602)로부터의 압력이 소비된 공기는 통기구(607)를 통해 배출된다. 팽창기는 또한 냉각 및 건조된 공기를 건물 내의 방으로 전달하기 위한 공기 송풍기로서의 역할도 한다.
압축기는 열 터빈용 DC 발전기와 구조적으로 동일한 DC 모터(608)에 의해 동력을 공급받는다. 로터 자석(609)은 로터의 회전축과 정렬된 자기축을 갖는 링이다. 스테이터 코일(610, 611)은 DC 전원(612)에 의해 전력을 공급받는다.
모터 제어(613)는 모터 전압 및 전류를 제어한다. 전압은 회전 속도를 제어한다. 압축기 모터는 압축에 필요한 속도까지 점진적으로 가속된다. 전류는 압축에 필요한 토크력을 제어한다. 압축기는 614, 615에서 베어링으로 힌지 결합된다.
대안적인 구현예는 압축기(601)를 팽창기로부터 분리시킨다. 압축 공기는 얇은 나일론 튜브에 의해 개별 방으로 전달될 수 있다. 팽창기가 각각의 방 내에 위치되어, 회전하는 팽창기에 의해 생성된 냉기 및 가능하게는 전기를 전달한다.
이러한 대안예는 중앙 집중식 압축기 및 전기 발전기를 갖는 마을에 사용될 수 있다. 압축기를 위한 동력은 태양 전지 패널로부터, 또는 태양열 또는 가스 연소에 의해 구동되는 우리의 열 터빈으로부터 얻어질 수 있다. 우리는 금속 도체를 통한 전력 대신에 오두막(hut)에 압축 공기를 전달한다. 압축 공기는 LED 조명, TV 및 배터리 충전을 위한 저전압 DC뿐만 아니라 냉기를 제공한다. 압축 공기는 또한 저녁 사용을 위해 대량으로 저장될 수도 있다.
태양열 담수화의 상세한 설명
도 7은 태양열을 이용하여 감압하에서 염수를 증발시키는 담수화 시스템을 도시하고 있다. 압축기(704)를 구동하기 위한 전원(710)은 태양 에너지를 사용할 수 있다.
물 가열 및 증기 응축 서브시스템의 시스템 구성은 제습과 함께 공기 조절을 위한 시스템 구성과 매우 유사하다. 우리는 습한 공기 대신에 저압 증기를 압축한다.
높은 물기둥(701)은 수두(702)에서 감소된 압력을 갖는다. 염수 탱크(703)는 염수 부식을 견딜 수 있는 강한 유리, 보강 콘크리트 또는 세라믹 재료로 제조될 수 있다.
수두 위 및 물 탱크(703) 내부에서, 모터(705)에 의해 구동되는 압축기(704)는 입구(715)로부터 저압 증기를 흡인한다. 그 후에, 압축된 증기는 712, 713에서 힌지 결합된 압축기를 빠져나간 후에 응축된다. 응축수는 추가적인 증발을 위해 탱크(703) 내의 염수를 가열한다.
염수의 순환은 다음과 같다. 염수는 입구(710)를 통해 물 챔버(703)로 진입하기 전에 예열될 수 있다. 예열은 고염도 브라인 폐수(salty brine waste)와의 열교환을 통해 달성될 수 있다. 우리는 진공 유리 가열 튜브를 갖는 태양열 온수기에서 염수를 예열할 수 있다.
포물면 태양열 수집기(709)는 태양 에너지를 염수 기둥(703)에 포커싱한다. 수집기의 보다 정확한 기하 형상이 도 8에 도시되어 있다. 포커싱된 태양광은 염수를 가열하고, 염수는 상부(716)로 상승하고 수두에서의 감압으로 인해 많이 증발한다. 물은 또한 열교환기(706)에서의 응축 증기에 의해 가열된다.
보다 밀도가 높은 브라인은 717로 이동하고, 추가 증발로 인해 냉각되고, 하부로 가라앉는다. 브라인 폐수는 711에서 빠져나간다. 고온의 브라인 폐수와 유입되는 염수 사이에 열교환이 일어날 수 있다.
상부 위치(716, 717)를 통한 입구(710)로부터 출구(711)로의 순환을 용이하게 하기 위해, 우리는 염수 탱크의 수직 체적을 섹터(sector)로 구획할 수 있다. 염수 탱크가 투명한 유리로 제조되어 있다면, 섹터 경계는 또한 포커싱된 태양광을 흡수할 수 있다.
물은 챔버(707)에서 응축되어, 708을 통해 인출될 수 있다.
태양열 발전은 또한 집광식 태양열 구동 열 터빈에 의해 제공될 수도 있다. 터빈으로부터의 고온 공기 배기는 집광 미러(709) 대신에 물기둥을 가열하는데 사용될 수 있다. 조합된 열 기관 및 태양열 담수화는 해양 선박 및 좌초된 섬사람들을 위한 진정한 생명의 은인일 수 있다.
맺음말
인간의 생존에는 세 가지 필수 요소가 있다: 공기, 물, 햇빛. 이러한 세 가지로부터, 아마도 예비로서의 가스 연료의 도움에 의해, 우리는 냉각, 가열, 음식, 음용 및 청소를 위한 물, 및 통신, 컴퓨팅 및 교통수단에 필요한 에너지의 모든 인간 편의수단을 얻는다. 우리는 설명된 발명이 중앙 집중식 발전 대신에 개인용 에너지의 패러다임을 통해 요구되는 장소 및 시간에 이러한 인간 편의수단을 제공할 것이라고 믿는다.
감사의 말: Monarch Power의 Jim Hussey, Ankur Ghosh, Forest Blair 및 Jerry Jin은 초기 버전의 터빈을 구현 및 시험했다. Arizona State University의 Daniel Bliss 교수, Rutgers University의 YC Chiew 교수, National Taiwan University의 Falin Chen 교수는 나선형 터빈의 유체 역학에 대한 논의를 활발하게 했다. ASU의 Keng Hsu 교수는 금속 터빈 모델을 3D 레이저 프린팅했다.
Claims (29)
- 가스의 압력 변화를 통한 열 에너지와 운동 에너지 사이의 에너지 변환 장치에 있어서,
복수의 동축 디스크를 포함하고, 상기 복수의 동축 디스크 각각은, 상기 복수의 디스크 각각의 중심과 둘레부 사이의 가스의 나선형 유동을 위해 구성된 복수의 밀폐된 나선형 채널을 갖고, 상기 나선형 채널 각각은,
반경에 의해 회전되는 각도와 함께 증가하는 증가 반경, 및
상기 회전되는 각도와 함께 감소하는 보어 면적 - 외측 나선형 채널 벽이 내측 나선형 채널 벽보다 더 큰 면적을 가짐 - 을 포함하고;
상기 복수의 밀폐된 나선형 채널은 그 내부에 가스 흐름을 제공하도록 구성되고, 상기 가스 흐름은, 상기 반경에 의하여 레버리지된 토크를 생성하도록 상기 내부 및 외부 벽들에 작용하는 가스의 압력 에너지와 상기 동축 디스크의 운동 에너지 사이의 에너지 교환을 제공하도록 구성된 에너지 변환 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 보어 면적은 상기 회전 각도와 함께 단조 감소하는(decreases monotonically) 에너지 변환 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 보어 면적은 상기 회전 각도와 함께 로그 감소하는(decreases logarithmically) 에너지 변환 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 동축 디스크는 테이퍼 형상의 지수형 나선부를 포함하고, 상기 복수의 동축 디스크의 동축 적층은, 상기 테이퍼 형상의 지수형 나선부와, 상기 테이퍼 형상의 지수형 나선부들 사이에 위치한 상기 복수의 밀폐된 나선형 채널 양자 모두를 이용하여 단계적으로 배열되며;
상기 테이퍼 형상의 지수형 나선부 및 상기 복수의 밀폐된 나선형 채널은 상기 동축 디스크의 중심 또는 주변 부근에서 연결되는 에너지 변환 장치. - 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 에너지 변환 장치에 있어서,
축 방향으로 교호하는 극성을 갖는 환형의 영구 자석으로 구성된 복수의 동축 자기 디스크를 포함하고,
상기 복수의 동축 자기 디스크 각각은 복수의 유도 코일 디스크를 갖고, 상기 유도 코일 디스크는 복수의 동축 다각형 전도체 권선을 포함하고, 상기 유도 코일은 2 개의 단부를 포함하고, 제 1 단부는 발생된 동력의 위상을 포함하고 제 2 단부는 중성(neutral)으로의 연결부를 포함하고,
상기 운동 에너지는 상기 복수의 유도 코일 디스크 내의 전기 흐름과 복수의 동축 자기 디스크와 상기 유도 코일 디스크의 상대적인 회전 운동 사이에서 교환되는 에너지 변환 장치. - 제 5 항에 있어서,
다각형 유도 코일, 및 상기 복수의 동축 자석 디스크와 복수의 유도 코일 디스크 사이의 유도된 다중 위상 교번 전류를 더 포함하고, 상기 전류는 전류를 구동하는 전기장에 의해 유도되며, 상기 전기장은 상대적 회전 운동 - 교번 극성의 원형의 자석들로부터 상기 다각형 유도 코일을 통하여 흐르는 자기 플럭스의 양을 변화시킴 - 에 의해 유도되는 에너지 변환 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 동축 자석 디스크는 단일 원형 전도체 디스크를 포함하고, 상기 전도체 디스크는 상기 복수의 동축 다각형 권선과 상기 원형 전도체 디스크 사이의 상호 유도 전류를 제공하여 동역학 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 가능하게 하도록 구성된 에너지 변환 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 복수의 다각형 권선은 서로 다른 수의 각 다각형 권선의 측면을 갖고, 상기 복수의 발전기 다각형 권선은 직렬로 연결되는 에너지 변환 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 복수의 다각형 권선 중 제 1 세트의 다각형 권선 - 전압, 주파수 및 변환될 복수의 위상의 교류에 의하여 구동되며, 상기 제 1 세트는 직접적으로 유도함 - ;
상기 복수의 다각형 권선 중 제 2 세트의 다각형 권선 - 상기 제 2 세트는 상기 제 1 세트와는 상이한 측면 수 및 회전 수를 포함함 - ;
을 더 포함하고, 상기 제 1 세트와 상기 제 2 세트는 직렬로 연결되는 에너지 변환 장치. - 가압 가스에 의해 동력을 공급받는 디스크 형상의 팽창기 터빈에 있어서,
노즐에 의해 주입되는 가압 가스를 받아들이도록 구성된 중앙 챔버 - 상기 가스는 상기 중앙 챔버 내에서 가열됨 - ;
상기 중앙 챔버로부터 퍼져 나가는 복수의 밀폐된 나선형 채널 - 상기 복수의 밀폐된 나선형 채널 각각은 확장 반경 및 테이퍼식 보어를 포함함 - 을 포함하고;
상기 테이퍼식 보어는 나선부의 길이를 통해 그리고 상기 터빈의 둘레부로부터 점진적으로 압력을 방출하도록 구성되고;
상기 터빈은 감소하는 보어 면적 대 증가하는 반경의 나선부의 내부 표면적보다 더 큰 외부 표면적 상에서 압력을 유지하도록 구성되어, 가스 압력이 가스 유동의 반대 방향으로 상기 터빈의 회전을 강제시킬 수 있게 하는 디스크 형상의 팽창기 터빈. - 제 10 항에 있어서,
가압 가스를 제공하도록 구성된 디스크 형상의 압축기 터빈을 더 포함하고, 상기 압축기 터빈은,
복수의 디스크를 포함하고, 상기 디스크 각각은,
제 2의 복수의 밀폐된 나선형 채널을 포함하고, 상기 제 2의 복수의 나선형 채널 각각은 디스크의 원주로부터 디스크의 중심을 향하여 흐르는 가스를 압축하도록 구성된 감소하는 반경과 테이퍼된 보어를 포함하여, 상기 테이퍼된 보어의 외측 벽의 더 큰 반경과 표면적이 상기 압축기 터빈의 둘레에 더 큰 토크력을 생성하여 상기 디스크의 중심을 향해 가스를 압축하는, 디스크 형상의 팽창기 터빈. - 제 10 항에 있어서,
상기 디스크 형상의 압축기는 아르키메데스 스크롤 압축기를 포함하는 디스크 형상의 팽창기 터빈. - 제 10 항에 있어서,
상기 복수의 밀폐된 나선형 채널은 회전되는 각도에 따라 지수적으로 증가하는 반경을 포함하는 디스크 형상의 팽창기 터빈. - 제 10 항에 있어서,
상기 디스크 형상의 터빈은 전기 발전기와 정합되고 상기 발전기를 위한 로터로서의 역할을 하도록 구성되며, 상기 전기 발전기는 상기 디스크형 터빈 주위에 전자석의 환상체를 추가로 포함하며, 상기 전자석의 환상체는 디스크 형상의 터빈과 동축인 스테이터 코일 상에 직류 전기를 유도하도록 구성되는, 디스크 형상의 팽창기 터빈. - 압축가스를 활용하여 팽창기 터빈을 구동하여 팽창 가스의 작동과 냉각을 생성하는 방법에 있어서,
압축기를 통해 회전하는 터빈 중앙 챔버 내로 가스를 강제하는 단계를 포함하며, 상기 회전하는 터빈 챔버는,
각 디스크의 중심으로부터 둘레부로의 가스의 나선형 유동을 위한 복수의 밀폐된 채널을 포함하고; 각각의 나선형 채널은,
상기 채널에서 가스에 의해 회전되는 각도에 따라 선형적으로 또는 지수적으로 증가하는 증가 반경, 및
상기 나선형 채널에 의해 회전되는 각도에 따라 감소할 수 있는 보어 면적을 포함하고;
가스는, 외측 나선형 채널 벽에 압력을 가함으로써 회전되는 각도에 따라 점진적으로 감소하는 압력으로 유동하고, 가스 열이 운동 에너지로 변환됨에 따라 작동을 생성하고 가스를 냉각하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 가스의 압력을 유지하면서 가열되고 압축된 가스를 생성하고 가열된 가스를 후속적으로 냉각하기 위하여 압축기 히트 펌프를 경유하여 나선형 채널 내 압축가스를 팽창시킴에 의하여 냉기를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 압축가스는 외부 토크에 의해 회전하도록 이루어진 디스크 형상의 압축기로부터 튜브에 의해 전달되고, 상기 디스크형 압축기는,
가스를 압축하기 위해 중앙 챔버를 향해 디스크 둘레부로부터 감소하는 반경과 보어를 포함하는 복수의 나선형 채널을 포함하며;
상기 압축기의 외측으로부터 압축된 가스는 이들 나선형 채널의 보다 큰 외측 표면적의 압축력에 반응하여 상기 나선형 채널 내측으로 강제되는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 가스를 강제하는 단계는 상기 압축기를 구동시키도록 전기 모터의 자기 로터로서 상기 디스크형 압축기를 이용하도록 구성되는 모터를 활용하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
온수를 생성하는 응축기로 열 교환함에 의하여 생성된 고온의 압축 공기를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
음용수(potable water)를 생성하는 단계를 더 포함하며, 상기 음용수는 상기 가스를 통해 얻어지고, 상기 가스는 습한 공기를 포함하고, 상기 음용수는 압축과 냉각 후에 상기 습한 공기 중의 수분으로부터 추출되는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 압축기로부터 용기 내 공기를 수용하는 단계 - 상기 용기는 냉각, 가압 및 제습된 공기로서 제습된 후의 공기를 저장하도록 구성됨 - ;
상기 용기로부터 공급된 가압 공기를 경유하여 동력을 공급받는 디스크 형상의 터빈을 동력화하는 단계;
를 더 포함하며, 상기 디스크형 터빈은,
상기 가압 가스가 수형 노즐에 의해 주입되는 중앙 챔버로서, 상기 가스는 연료 연소 또는 집광된 태양 에너지에 의해 상기 챔버 내에서 가열되는, 중앙 챔버;
상기 중앙 챔버로부터 퍼져 나가고, 확장 반경 및 테이퍼식 보어를 포함하는 복수의 나선형 채널;
을 포함하며,
상기 터빈은 상기 둘레부에 작용하는 압력을 유지하도록 구성되고, 상기 둘레부는 테이퍼식 보어의 내측 표면적보다 큰 외측 표면적을 가지며, 그에 따라 가스 압력이 가스 유동의 반대 방향으로 상기 터빈을 회전시킬 수 있게 하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
증발을 위해 물을 주입함에 의하여 공기를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법. - 정수 장치에 있어서,
정화될 물의 비등점을 저감하도록 감소된 수두압(head pressure)을 구비한 물 기둥(water column);
수두압을 저감하고 기둥 헤드로부터 증발하는 저압 스팀을 가압하는 상기 기둥의 헤드에서의 압축기;
상기 물 기둥에 커플링된 열원;
압축의 스팀 열과 응축의 열을 교환하여 상기 물 기둥 내의 물의 추가적인 증발을 위하여 제공되는, 스팀을 응축하기 위한 상기 물 기둥 내 열 교환기;
상기 물 기둥에 커플링되는 응축 챔버 - 상기 응축 챔버는 응축된 스팀을 정화수로 수집하도록 구성됨 -
을 포함하는 정수 장치. - 제 23 항에 있어서,
상기 열원은 태양력을 집중하도록 구성된 반사성 포물면 원추 표면을 포함하고, 상기 열원은 태양빛을 상기 물 기둥에 집중시키도록 태양의 방위각 위치를 추적하는 중심 정점선을 더 포함하는 정수 장치. - 제 24 항에 있어서,
상기 반사성 포물면 원추 표면은 수평선 위의 태양의 고도 위치를 추적하기 위해 상기 중심 정점선의 증가된 고도를 포함하는 정수 장치. - 제 23 항에 있어서,
상기 압축기는 복수의 디스크를 포함하고, 상기 복수의 디스크 각각은 반경이 회전함에 따라 증가하는 반경과 감소하는 채널 보어 면적을 갖는 복수의 밀폐된 나선형 가스 채널을 포함하여, 압축기의 중심을 향해 가스를 가압하도록 가스가 상기 복수의 밀폐된 나선형 가스 채널의 외측에 의해 압축될 수 있는 정수 장치. - 제 26 항에 있어서,
축 방향 자화를 갖는 자기 로터, 및 상기 압축기에 동력을 제공하기 위한 솔레노이드 스테이터를 갖는 디스크 모터를 더 포함하는 정수 장치. - 제 23 항에 있어서,
상기 열원은, 물을 보유하도록 구성되고 상기 물 기둥에 커플링된 복수의 튜브를 갖는 태양 물 히터를 포함하고, 상기 튜브는 태양 열을 가두도록 구성된 부분 진공 투명 튜브를 포함하는 정수 장치.
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