KR102323744B1 - 회전 유체에 와류 공동을 생성하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
와류 공동을 발생시키는 시스템의 예가 개시된다. 상기 시스템은 하나 이상의 입구 포트를 통해 유체가 주입되는 베젤와 유체가 베젤을 통해 순환하도록 구성된 유체 순환 시스템을 포함하여, 유체가 출구 포트를 통해 베젤로부터 제거되고 하나 이상의 입구 포트를 통해 베젤 내로 다시 복귀되도록 한다.
제 1 스피너는 베젤의 한 벽에 장착되고, 제 2 스피너는 베젤의 대향 벽에 장착되어, 제 2 스피너는 제 1 스피너로부터 약간 이격된 거리에 있고 제 1 스피너와 마주하도록 배치된다.
유체 순환 시스템이 베젤 내에서 유체를 순환시키기 시작할 때, 와류 공동은 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 연장되도록 형성되어 와류 공동의 한 단부가 제 1 스피너 상에 위치하고 와류 공동의 대향 단부는 제 2 스피너 상에 위치한다.
제 1 스피너는 베젤의 한 벽에 장착되고, 제 2 스피너는 베젤의 대향 벽에 장착되어, 제 2 스피너는 제 1 스피너로부터 약간 이격된 거리에 있고 제 1 스피너와 마주하도록 배치된다.
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Description
본 발명은 일반적으로 플라즈마 압축 시스템의 회전 유체 내에 와류 공동을 발생시키는 장치 및 방법과 같은, 회전 유체 내에 와류 공동을 발생시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서에 달리 명시되어 있지 않는 한, 본 명세서에 설명된 재료는 본 출원의 청구범위에 대한 선행기술이 아니며 본 명세서에 포함됨으로써 선행기술로 인정되지 않는다.
액체 매체의 부피 내에 매끄럽게 비워진 공동은 캐나다 버나비 소재 General Fusion Inc.에서 개발중인 플라즈마 압축 시스템의 필수적인 부분이다. 비어있는 공동 또는 와류 공동은 용융된 납-리튬과 같은 용융 금속으로 채워진 플라즈마 압축 베젤의 중앙에 생성된다. 펌핑 시스템은 압축 베젤 내에서 유체의 회전 유동을 제공하고 가스 또는 진공 공동이 될 수 있는 공동을 생성하는데 사용된다. 플라즈마는 이러한 공동 내로 주입되고, 플라즈마를 압축하는 공동을 붕괴시키는 수렴 압력파로 압축된다.
선행 실험은 물 및/또는 액체 리드 펌핑 시스템을 사용하여 와류 공동을 생성하도록 수행되었다. 이들 시스템 중 일부의 펌핑 시스템은 압축 베젤 내로 액체를 접선 방향으로 펌핑하고 상기 베젤 바닥의 홀로부터 액체를 배출시킴으로써 공동이 형성되는 욕조 와류의 개념을 기반으로 한다. 이러한 시스템이 성공적으로 와류 공동을 형성하였지만, 예를 들어 공동이 베젤 전체에 걸쳐 연장되어 배출관으로 들어가는 경우, 얻어진 와류 공동이 액체/기체 경계면의 원하는 평활도를 갖지 못하게 되는 문제가 확인되었다. 계면의 평활도의 결여, 즉 고주파 표면 리플의 지속적인 존재는 계면 부근의 강한 수직 전단 층의 존재 뿐만 아니라 베젤의 고정된 벽과 회전 경계면의 상호 작용(와류의 상부 및 하부)에 기인한다. 와류 공동은 베젤의 상부에서 고정 벽과 접촉하고 베젤의 하부에서 배출 홀로 들어가는 베젤의 전체 높이에 걸쳐 연장된다.
와류 공동이 배출 홀 내로 연장될 때, 이는 배출 영역의 상당 부분을 차단하여 와류 계면 부근의 수직 방향 속도(및 전단력)를 현저히 증가시킬 수 있으며, 이는 차례로 와류의 불안정화(예를 들어 세차 운동) 및 표면의 품질 악화를 초래하게 된다. 이에 더하여, 시스템 내의 유체의 양이 고정될 수 없다. 즉, 유체 주입 및 유체 배출이 분리되어(개방 시스템), 생성된 와류 공동의 정확한 파라미터를 제어 및/또는 예측하는 것이 어렵게 된다.
한 양태에서, 회전 유체 내에 와류 공동을 발생시키는 장치가 제공된다. 상기 장치는 베젤의 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 면을 갖는 제 1 스피너와, 상기 베젤의 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 면을 구비한 제 2 스피너를 구비하여, 제 2 스피너의 회전가능한 페이스면이 제 1 스피너의 회전 가능한 페이스면과 동축으로 대면한다. 상기 장치는 또한 베젤의 내부와 유체 연통하고, 제 1 및 제 2 스피너 사이의 유동의 회전 흐름을 야기하는 방식으로 회전 유체가 베젤 내로 주입될 수 있도록 제 1 및 제 2 스피너 사이에 위치되는 하나 이상의 유체 분사 입구를 포함한다. 상기 장치는 또한 적어도 하나의 유체 주입구에 연결되어 회전 유체를 베젤 내로 주입하여, 유체가 충분한 각 운동량으로 베젤 내에서 회전하여 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 연장하는 와류 공동을 형성한다. 와류 공동은 제 1 및 제 2 스피너의 반경보다 작은 반경을 가지므로, 와류 공동의 한 단부는 제 1 스피너의 회전 가능한 페이스면 상에 위치하고, 와류 공동의 반대 단부는 제 2 스피너의 회전 가능한 페이스면 상에 위치한다. 상기 장치는 또한 베젤의 내부와 유체 연통하고, 유체가 베젤로부터 배출되도록 충분한 거리만큼 제 1 및 제 2 스피너로부터 이격된 적어도 하나의 회전 유체 배출구를 포함한다.
한 양태에서, 적어도 하나의 회전 유체 배출구는 제 1 및 제 2 스피너와 동축이다.
상기 장치는 상기 유체 펌프 및 상기 적어도 하나의 주입구 및 상기 적어도 하나의 배출구에 유체 연결되어 상기 적어도 하나의 배출구를 통해 상기 베젤로부터 배출된 유체가 적어도 하나의 주입구를 통해 베젤내로 재순환된다.
한 양태에서, 제 1 및 제 2 스피너 중 적어도 하나는 와류 공동을 지지하기에 충분한 폭을 갖는 강체 림에 의해 둘러싸인 중앙 개구를 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 스피너 중 적어도 하나는 중앙 개구부를 갖는 와류 공동을 지지하기 위한 강체 림을 한정하는 측벽과 중앙 개구부를 가지는 중공 튜브일 수 있다. 중공 튜브는 측벽의 내부면의 원주를 따라 연장되는 슬릿과, 가동 리드와, 상기 중앙 개구를 폐쇄하는 제 1 위치와 상기 중앙 개구를 폐쇄하지 않는 제 2 위치 사이에서 상기 가동 리드를 구동하도록 구성된 드라이버를 더 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 상기 장치는 제 1 및 제 2 스피너를 회전시키기 위한 적어도 하나의 모터와, 제 1 및 제 2 스피너의 회전 속도를 각각 조절하도록 프로그램된 적어도 하나의 모터와 전기 통신하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
한 양태에서, 제 1 및 제 2 스피너는, 제 1 및 제 2 스피너의 바닥면에 연결되어 그로부터 이격되어 연장되는 복수의 핀을 더 포함할 수 있어, 복수의 핀(fin)이 회전 유체의 회전 방향에 실질적으로 수직하게 배향되도록 한다.
또 다른 양태에서, 와류 발생기를 사용하는 플라즈마 압축 시스템이 제공된다. 플라즈마 압축 시스템은 내부에 회전 유체를 수용하기 위한 플라즈마 압축 챔버, 적어도 하나의 회전 유체 주입구 및 적어도 하나의 회전 유체 주입구로부터 이격된 적어도 하나의 회전 유체 배출구를 포함한다. 외벽은 챔버의 내부 공간을 한정한다. 상기 시스템은 챔버의 내부 공간 내로 플라즈마를 발생시키고 주입하도록 구성된 적어도 하나의 플라즈마 발생기를 더 포함한다. 플라즈마 발생기는 플라즈마 압축 챔버의 내부 공간과 유체 연통하는 배출구를 가지므로, 생성된 플라즈마가 챔버로 배출될 수 있다. 챔버 주위에 배치된 복수의 피스톤을 갖는 압력파 발생기는 피스톤이 챔버의 외벽에 충돌하여 챔버의 내부 공간에 수용된 회전 유체에 수렴 압력파를 발생시키도록 작동하도록 제공된다. 상기 시스템은 또한 챔버 내에 와류 공동을 형성하기 위한 와류 발생기를 포함한다. 와류 발생기는 챔버 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 페이스면을 갖는 제 1 스피너와, 챔버 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 페이스면을 갖는 제 2 스피너를 포함한다. 적어도 하나의 유체 주입구는 제 1 및 제 2 스피너 사이에 위치하며 내부 공간과 유체 연통하여, 회전 유체가 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 회전 유체의 회전 유동을 야기하는 방식으로 플라즈마 압축 챔버 내로 주입될 수 있다. 제 1 및 제 2 스피너와 역시 유체 연통하는 하나 이상의 회전 유체 배출구는 회전 유체가 플라스마 압축 챔버로부터 배출되도록 충분한 거리만큼 제 1 및 제 2 스피너로부터 이격된다. 적어도 하나의 유체 주입구에 연결되는 유체 펌프는 회전 유체가 챔버 내로 주입되어 유체가 충분한 각 운동량으로 회전하여 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 연장되는 와류 공동을 형성하도록 작동하여, 와류 공동의 제 1 단부는 제 1 스피너의 회전 가능한 페이스면 상에 위치하며, 와류 공동의 반대 단부는 제 2 스피너의 회전 가능한 페이스면 상에 놓이게 된다. 제 1 및 제 2 스피너 중 적어도 하나는 와류 공동을 지지하기에 충분한 폭을 갖는 강체 림에 의해 둘러싸인 중앙 개구를 포함한다. 중앙 개구는 플라즈마 발생기에 의해 방출된 플라즈마가 와류 공동에 들어가도록 플라즈마 발생기의 배출구와 정렬된다.
또 다른 양태에서, 플라즈마 압축 시스템에 와류 공동을 생성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 제 2 스피너가 제 1 스피너로부터 이격되도록 플라즈마 압축 챔버 내부에 제 1 스피너와 제 2 스피너를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 및 제 2 스피너는 각각 제 1 및 제 2 회전 가능한 페이스면이 서로 동축으로 서로 마주하도록 챔버 내부에 장착된 회전 가능한 페이스면을 갖는다.
상기 방법은 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 연장하는 와류 공동을 형성하도록 충분한 각 운동량으로 플라즈마 압축 챔버내에 회전유체를 순환하는 단계와, 와류공동의 제 1 단부가 제 1 스피너의 회전가능한 페이스편에 안착되고 와류공동의 마주보는 제 2 단부가 제 2 스피너의 회전가능한 페이스면에 안착되는 속도로 제 1 및 제 2 스피너의 회전가능한 페이스면을 회전하는 단계를 포함한다.
전술한 양태 및 실시예들에 더하여, 하기하는 상세한 설명의 도면들 및 연구를 참조함으로써 추가적인 양태 및 실시예들이 명백해질 것이다.
도면 전체에서, 참조 번호는 참조된 요소들 간의 대응 관계를 나타내기 위해 재사용될 수 있다. 도면은 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예를 설명하기 위해 제공되며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 도면에서 요소의 크기 및 상대 위치는 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소 및 각도의 모양은 일정한 비율로 그려지지 않으며, 일부 요소는 도면의 가독성을 향상시키기 위해 임의로 확대 및 배치된다.
도 1A-1D는 가스-액체 계면에서의 초기 교란의 두 진폭에 대한 와류 공동의 붕괴시 가스-액체 계면에서의 유체 역학적 불안정성의 전개를 나타내는 시뮬레이션의 개략적 단면도;
도 2A는 한 실시예에 따른 와류 공동 발생 장치의 측 단면도;
도 2B는 도 2A에 도시된 장치의 상부 단면도;
도 3A는 도 2A에 도시된 장치의 컴퓨터 생성 수치 모델의 개략적인 사시도;
도 3B는 또 다른 실시예에 따른 와류 공동 생성 장치의 컴퓨터 생성 수치 모델의 개략적 사시도;
도 4A는 도 3A에 도시된 장치 내의 와류 형성의 개략적 사시도;
도 4B는 도 3B에 도시된 장치 내의 와류 형성의 개략적 사시도;
도 5A는 장치의 제 1 스피너와 제 2 스피너가 소정의 속도로 회전할 때 형성된 와류 공동의 개략도.
도 5B는 장치의 제 1 스피너와 제 2 스피너가 정지 상태에 있을 때 형성된 와류 공동의 개략도;
도 6은 와류 공동 생성 장치의 한 실시예를 포함하는 플라즈마 압축 시스템의 개략적 단면도.
도 2A는 한 실시예에 따른 와류 공동 발생 장치의 측 단면도;
도 2B는 도 2A에 도시된 장치의 상부 단면도;
도 3A는 도 2A에 도시된 장치의 컴퓨터 생성 수치 모델의 개략적인 사시도;
도 3B는 또 다른 실시예에 따른 와류 공동 생성 장치의 컴퓨터 생성 수치 모델의 개략적 사시도;
도 4A는 도 3A에 도시된 장치 내의 와류 형성의 개략적 사시도;
도 4B는 도 3B에 도시된 장치 내의 와류 형성의 개략적 사시도;
도 5A는 장치의 제 1 스피너와 제 2 스피너가 소정의 속도로 회전할 때 형성된 와류 공동의 개략도.
도 5B는 장치의 제 1 스피너와 제 2 스피너가 정지 상태에 있을 때 형성된 와류 공동의 개략도;
도 6은 와류 공동 생성 장치의 한 실시예를 포함하는 플라즈마 압축 시스템의 개략적 단면도.
본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예는 회전 유체("rotation fluid") 내에 와류 공동을 생성할 수 있는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 General Fusion Inc.에서 개발된 시스템과 같은 플라즈마 압축 시스템에서 구현될 수 있다. 상기 장치는 일반적으로 유체 주입구 및 상기 유체 주입구로부터 이격된 유체 배출구를 갖는 베젤을 포함한다. 입구(inlet)는 베젤 내의 유체의 정확한 양을 제어하도록 작동될 수 있는 유체 펌프에 연결되고 또한 유체가 베젤 내에서 순환하고 유체 내에 와류 공동을 형성하게 할 수 있다. 펌프는 베젤 내의 유체의 양을 변화시킴으로써 와동 공동의 크기/형태를 제어하도록 작동될 수 있다. 상기 장치는 또한 베젤의 일 단부에 위치한 제 1 스피너( "제 1 단부") 및 베젤의 다른 단부에 위치한 제 2 스피너( "제 2 단부")를 포함한다. 제 1 및 제 2 스피너는 각각 형성된 와류가 스피너 표면 상에 "위치할" 수 있도록 와류를 향하는 표면을 갖는 회전 부재를 포함하고; 제 1 및 제 2 스피너는 와류와 거의 동일한 속도로 회전할 수 있어, 와류 표면 상에 고주파수 리플의 형성을 방지할 수 있다. 제 2 스피너는 와류가 출구로 연장되는 것을 방지하기 위해 소정의 거리만큼 배출구 위에 배치될 수 있다. 이러한 배치는 또한 전단 층이 와류에서 형성되는 것을 방지할 수 있다. 유체는 용융 납과 같은 액체 또는 액체-고체 현탁액 또는 심지어 가스와 같은 유체 혼합물일 수 있다. 와류 공동은 가스, 플라즈마 또는 진공을 포함할 수 있다.
General Fusion Inc.에서 지난 몇 년간 수행된 조사에 따르면 초기에 액체/기체 계면(특히 높은 파수를 가진 유체)에 존재하는 불완전성은 유체 역학적인 불안정성의 발달을 시작하고 공동 붕괴중 플라즈마의 압축 효율에 영향을 줄 수 있음을 보여준다. 도 1은 가스-액체 계면에서 초기 교란의 상이한 진폭에 대한 가스(와류) 공동의 붕괴 동안 유체 역학적 불안정성의 전개를 나타내는 General Fusion Inc.에서 수행된 시뮬레이션의 예를 도시한다. 도 1A는 압력파가 경계면(2)에 도달하기 전에 곡선(2)으로 도시된 기체/액체 계면을 갖는 와류 공동(4)을 도시한다. 곡선(2)에서 약간의 작은 초기 교란이 있음을 알 수 있다. 압력파가 공동(4)을 붕괴할 때(도 B 참조), 이러한 초기 교란은 곡선(3)에 의해 도시된 유체 역학적 불안정성을 유발할 수 있다. 도 1C는 도 1A에 도시된 예보다 높은 초기 교란 진폭을 갖는 가스/액체 계면(곡선 6)의 또 다른 예를 도시한다. 계면(6)에서의 초기 교란이 더 크기 때문에, 이러한 초기 교란은 압력파가 공동(4)을 붕괴 시키면(도 1D 참조) 인터페이스의 더 강한 왜곡을 야기할 수 있다. 도 1D에서 알 수 있는 바와 같이, 계면(6)에서의 초기 교란은 곡선(7)으로 나타낸 바와 같이 가스/액체 계면에서 날카로운 스파이크 및 기포를 발생시킬 수 있다. 따라서 회전 액체와 가스 또는 진공 와류 공동 사이의 액체/기체 또는 액체/진공 계면의 평활도는 원하는 압축 효율을 달성하는 데 관련된다.
또한, 도 2A 및 도 2B는 본 발명의 와류 발생 시스템(10)의 한 실시예를 예시한다. 시스템(10)은 유체("회전 유체")가 적어도 하나의 주입구(13)로부터 주입되는 베젤, 유체 순환(펌핑) 시스템(24)(도 2B 참조) 및 적어도 하나의 배출구(22)를 포함할 수 있는 vtho 루프 펌핑 시스템일 수 있다. 베젤(12)은 제 1 단부(상부 벽)(11), 제 2 단부(하부 벽)(20) 및 베젤(12)의 내부 공간을 한정하는 측벽(30)을 가질 수 있다. 회전 유체는 입구(13)를 통해 접선방향으로 배젤(12)내로 주입될 수 있고 출구(22)를 통해 베젤(12)의 제 2 단부(20)로부터 배출된다. 적어도 하나의 주입구는 적도 방향으로(또는 베젤의 적도 부근에) 위치되고 단부(11 및 20)로부터 이격된다. 적어도 하나의 배출구(22)는 제 1 및 제 2 단부(11, 20)중 하나에 형성되고 적어도 하나의 주입구(13)로부터 이격된다. 도시된 예시에서 배출구(22)는 제 2 단부(20)에 형성되지만, 당업자라면 베젤 내의 회전 유체가 회전되어 주입된 각 운동량이 상기 베젤 내에 와류 공동(40)이 형성될 수 있도록 하는 한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 임의의 다른 적절한 위치에 입구 포트(13) 및/또는 배출구(22)가 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 배출구(22)는 상부(제 1 단부(11))에 위치될 수 있거나 유체가 양단부(11, 20)에 형성된 배출구(22)를 통해 배출될 수 있다.
제 1 스피너(17)는 예를 들어 제 1 단부(11)에 근접한 위치에서 베젤(12) 내에 회전 가능하게 장착되며, 제 2 스피너(18)는 제 1 스피너(17)와 마주하여 일정 거리를 두고 회전 가능하게 장착된다. 스피너(17, 18)는 둘다 유체의 국지 접선 방향 유속과 동일한 속도로 회전하는 회전 가능한 페이스면(17a, 18a)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)는 회전가능한 페이스면(18a)과 대향하는 회전 가능한 페이스면(17a)과 동축이될 수 있어, 와류의 한 단부가 페이스면(17a) 상에 있고, 와류의 반대면이 페이스면(18a)에 있게된다. 적어도 하나의 배출구(22)는 제 2 스피너(18) 아래에 미리 결정된 거리로 위치된다. 이와같은 이유는 유체 배출구 부근에서 수직 방향 성분(전단 층)에서의 높은 기울기가 형성되어 시스템 내의 기존 교란(난류)이 그러한 전단 층에 의해 급격하게 증폭될 수 있다. 전단 층은 반경 방향 거리(배출 홀의 반경과 상관된)에서 형성될 수 있고 출구(22)위이 일정 거리로 연장될 수 있다. 따라서, 배출구에 인접한 스피너는 배출구에서의 유동을 제한하지 않도록 배출구로부터 충분한 거리를 두고 위치될 필요가 있어, 베젤(12) 내로 주입되는 유체의 양은 언제나 베젤에서 배출되는 유체의 양에 상응할 수 있고, 베젤 베젤의 유체는 일정하게 유지된다. 배출 홀로부터 더 멀리 떨어진 스피너 예를들어, 제 1 스피너(17)는 회전 표면(17a)이 회전할 수 있도록 벽으로부터 충분히 이격되어 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 더 큰 거리로 벽에(예를 들어, 제 1 단부(11)에) 장착될 수 있고는데 어떠한 개구도 제 1 스피너(17)에 인접하여 존재하지 않기 때문이다. 한 실시예에서, 시스템(10)은 예를 들어 제 2 단부(20)에 있는 것 이외에 제 1 단부(11)에 하나의 추가 출구와 같은 2 개의 배출 개구를 포함할 수 있다. 상기 실시예에서, 두 스피너(17, 18)는 배출구로부터 회전하는 유체의 흐름을 제한하는 것을 피하기 위해 각각의 배구로부터 충분한 거리를 두고 위치된다. 배출구(22) 및 가장 가까운 스피너(예를 들어, 제 2 스피너(18)) 사이의 거리는 스피너의 크기와 배출구의 크기의 비율에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 배출구(22)의 크기(반경)가 가장 가까운 스피너(제 2 스피너(18))의 크기(반경)보다 작은 경우, 스피너는 배출구(22)로부터 더 멀리 떨어져 더 멀리 위치해야 하는데, 스피너가 유체 흐름을 제한하여 속도가 증가할 수 있기 때문이다. 배출구(22)의 크기(반경)가 가장 가까운 스피너의 크기보다 크면, 출구면(22)과 그러한 스피너 사이의 거리는 더 작아 질 수 있어, 예를 들어 회전하는 페이스면(18a)은 배출구(22)약간 위에 있게된다. 예를 들어, 약 6.2 cm의 외부 반경 및 약 3.2 cm의 내부 반경을 갖는 환형 배출구를 갖는 장치(10) 및 반경이 약 4.6 cm인 스피너를 갖는 장치(10)에 대해 스피너와 배출구 사이의 거리는 약 2.5cm일 수 있다.
적어도 하나의 배출구(22)는 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)와 실질적으로 동축일 수 있다. 예를 들어 적어도 하나의 배출구(22)는 제 2 단부(20)에 형성된 원형 개구 또는 내부에 형성된 환형 링일 수 있고, 환형 링의 중심이 스피너(17, 18)의 축 상에 있을 수 있도록 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)와 실질적으로 동축일 수 있다. 한 실시예에서, 배출구(22)는 환형 링의 중심이 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)의 축 상에 있을 수 있도록 환형 링 내에 배치된 복수의 작은 개구를 포함한다.
베젤(12)의 내부 공간은 예를 들어 액체 매질과 같은 회전 유체로 부분적으로 채워질 수 있다. 초기에, 시스템(10)은 예상된 와류 치수 및 시스템 파라미터에 기초하여 계산된 소정의 체적의 회전 유체로 채워질 수 있다. 펌핑 시스템(24)은 회전 유체를 베젤(12)의 내부 공간으로 순환시키기 위해 펌핑을 시작할 수 있는 하나 이상의 유체 펌프(26)(도 6)를 포함할 수 있다. 유체 펌프(26)는 펌프(26)가 회전 유체를 베젤(12)의 내부 공간 내로 주입할 수 있도록, 적어도 하나의 주입구(13)와 연결될 수 있어, 회전 유체가 제 1 및 제 2 스피너(17, 18) 사이에서 연장하는 와류 공동(40)를 형성하기에 충분한 각 운동량으로 베젤 내에서 회전하도록 한다. 와류 공동(40)은 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)의 반경보다 작은 반경을 갖는다. 유체 순환 시스템(24)은 하나 이상의 유체 배출구(22)를 통해 베젤(12)로부터 배출된 회전 유체가 적어도 하나의 유체 주입구(13)를 통해 베젤(12)내로 다시 순환되도록 적어도 하나의 유체 주입구(13)와 적어도 하나의 유체 배출구(22) 및 하나이상의 펌프(26)에 유체 연결된 펌핑 네트워크(28)(도 2B 및 도 6 참조)를 더 포함할 수 있다. 배출구(22)와 펌핑 시스템(24) 사이의 직접 연결은 고정된 양의 회전 유체가 시스템(10) 내로 순환하는 것을 보장한다. 회전 유체가 와류 공동을 형성하도록 충분한 각 운동량으로 회전하고 유체 배출 장치가 가장 가까운 스피너로부터 구속받지 않고 이격되도록 펌핑 시스템, 적어도 하나의 주입구 및 적어도 하나의 배출구가 구성되는 한, 베젤(12)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 원통형, 구형 또는 임의의 다른 형상 또는 크기를 가질 수 있다.
제 1 스피너(17)는 (형성된 와류 공동(40)이 약간 원추형인 경우) 제 2 스피너(18)의 반경과 같거나 클 수 있는 반경을 갖는 디스크일 수 있다.; 반대로, 제 2 스피너(18)는 시스템(10)의 반전된 구성에서 제 1 스피너(17)보다 더 큰 반경을 가질 수 있다. 제 2 스피너(18)는 또한 디스크일 수 있다. 두 스피너(17, 18)는 와류 공동의 예상 반경보다 큰 반경을 가지므로, 와류 공동(40)이 두 스피너(17, 18) 사이에 위치할 수 있다. 와류 공동의 한 단부는 제 1 스피너(17)의 페이스면(17a)에 놓일 수 있고, 와류 공동의 대향 단부는 제 2 스피너(18)의 페이스 면(18a) 상에 놓일 수 있다.
한 실시예에서, 베젤(12)는 분리 벽(15)에 의해 제 1 챔버(14)로부터 분리된 제 1 챔버(14) 및 제 2 챔버(16)를 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)는 제 1 스피너(17)가 제 1 단부(11)에 근접하여 장착되고 제 2 스피너(18)가 분리 벽(15)에 근접하여 장착되록 제 1 챔버(14)내에 위치된다. 펌프(26)는 제 1 챔버(14) 내로 회전 유체를 주입한다. 제 1 챔버(14)에 주입된 회전 유체가 개구(19)를 통해 제 2 챔버(16)로 배출되도록 적어도 하나의 개구(19)가 분리벽(15) 내로 형성된다. 그 후, 회전 유체는 배출구(22)를 통해 제 2 챔버(16)로부터 제거된다. 개구(19)는 제 2 스피너(18)와 같은 가장 가까운 스피너(18)아래에 소정의 거리에 있는 한, 원형 또는 환형 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 한 실시예에서, 개구(19)는 가장 가까운 스피너(예를들어 제 2 스피너(18)아래의 분리벽(15)내에 형성된 복수의 개구(19)일 수 있다. 제 2 스피너(18)는 유체 배출구 부근에서 전단 층의 형성을 피하기 위해 개구(19) 위의 미리 결정된 거리에 위치될 수 있다.
스피너의 위치 및/또는 크기는 회전 유체의 효율적인 배출을 차단하지 않도록해야 한다. 예를 들어, 제 2 스피너(18)의 반경은 배출 개구 즉 개구(19)의 반경보다 약간 작을 수 있다. 한 실시예에서, 제 2 스피너(18)의 반경은 개구(19)의 반경보다 클 수 있으며, 스피너(18)의 크기가 효율적인 배출을 방해하지 않도록 제 2 스피너(18)를 개구(19)로부터 더 멀리 위치시킴으로써 효율적인 배출이 제공될 수 있다.
각 스피너(17, 18)는 속도 범위에 걸쳐 스피너(17, 18)를 회전시키도록 구성될 수 있는 모터(도 6의 모터(27) 참조)에 연결될 수 있다. 한 실시예에서, 각각의 스피너(17, 18)는 별도의 모터에 의해 구동되어 제 1 스피너(17)가 제 2 스피너(18)와 독립적으로 회전할 수 있다. 따라서, 각 스피너(17, 18)는 회전 유체 및 와류 공동의 액체/기체 또는 액체/진공 계면(시스템(10)이 비워진 경우)의 국지 접선 유동 속도로 회전할 수 있다. 와류 공동의 단부가 고정 벽(예를 들어, 비 회전 스피너(17, 18)의 표면(17a, 18a))에 접촉할 때, 벽상의 노-슬립(제로 속도) 상태로 인해 스피너(17a, 18a)에서 전단층이 형성된다. 이러한 전단 층은 와류 계면에 고주파 리플이 형성되는 원인이 될 수 있다. 와류 표면상의 국지 회전 속도와 일치하도록 스피너(17, 18)의 회전 속도를 조정하는 것은 그러한 전단 층을 제거하고 리플의 발생을 억제(방지)할 것으로 기대된다. 한 실시예에서, 시스템(10)은 스피너(17, 18)의 회전 속도를 조정하기 위해 모터(27)와 통신하는 제어기를 포함할 수 있다. 스피너(17, 18)는 형성된 와류의 표면이 부드럽고 리플이 없도록 유체의 국지 유속이 배치되도록 주의깊게 조절된 동일하거나 다른 속도로 회전할 수 있다. 일반적으로 원통형인 와류 공동의 경우, 스피너(17, 18)는 동일한 속도로 회전할 수 있고, 따라서 동일한 모터에 의해 구동될 수 있다. 스피너(17, 18)는 이러한 모터에 의해 구동되는 샤프트(21)와 연결될 수 있다. 한 실시예에서, 모터는 생략될 수 있고 스피너(17 및/또는 18)는 유체 운동에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 스피너(17, 18)는 각각의 스피너(17, 18)의 하부면(17b, 18b)에 연결되고 이로부터 멀리 연장되는 다수의 핀(23)을 포함할 수 있어, 핀(23)이 원하는 속도로 스피너(17, 18)를 회전시키기 위한 마찰면을 제공할 수 있도록 회전 유체의 회전 방향에 실질적으로 수직으로 배향되도록 한다.
도 3A는 도 2A 및 도 2B의 와류 발생 시스템(10)의 컴퓨터 생성 수치 모델의 개략적인 사시도이다. 다수의 시뮬레이션이 플라즈마 압축 시스템(200)에서의 시스템(10) 및 그 구현의 상이한 파라미터를 탐색하기 위해 수행되었다.(도 6) 시뮬레이션은 오픈 소스 전산 유체 역학 소프트웨어 OpenFOAM®을 사용하여 수행되었다. 도 3A에 도시된 모델의 크기 및 기하학적 구조는 회전 디스크(17, 18)를 사용하는 도 2A 및 도 2B의 실험 시스템(10)에 해당한다. 도 4A는 도 3A에 도시된 장치에서 와류 형성의 개략적인 사시도이다. 단순화를 위해 제 2 스피너(18) 및 제 2 챔버(16)를 구비한 제 1 챔버(14)의 하부 만이 4A에 도시되어 있다. 시뮬레이션은 상기 스피너들이 예를들어 약 80 rad/s와 같은 와류의 국지 유속 또는 그에 근접한 속도로 회전할 때 매끄러운 표면을 가진 안정된 와류 공동(40)이 스피너(17, 18)를 사용하여 얻어질 수 있음을 보여 준다. 시뮬레이션의 결과는 마찬가지로 실험에서도 지지된다. 시뮬레이션에서 와류 기동 및 형성 프로세스는 도 1 및도 2에 도시된 도 2-6에 도시된 시스템(10)과 일치한다.
도 3b는 와류 발생 시스템(10)의 다른 실시예의 컴퓨터 생성 수치 모델의 개략적인 사시도를 도시하고, 도 4b는 도 3B에 도시된 장치 내의 와류 형성의 개략적인 사시도이다. 상기 실시예는 또한 도 3A의 장치와 같이 2 개의 스피너를 포함할 수 있다. 제 1 스피너(17)는 디스크(도 2A 및 도 3A의 디스크(17)와 유사한)일 수 있는 반면, 제 2 스피너(180)는 중앙 개구 또는 회전 중공 튜브를 갖는 링일 수 있다. 도 3B에 도시된 실시예에서, 제 2 스피너(180)는 강체 림(50)으로 둘러싸인 중앙 개구부를 갖는 중공 튜브이다. 중공 튜브(180)는 하단부(180b), 회전가능한 페이스 면(상단부)(180a) 및 상기 (180a, 180b) 사이에서 연장되는 측벽(180c)을 포함하며 원통형 또는 원추형 또는 임의의 다른 적합한 형상 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 측벽(180c)의 두께는 튜브(180)의 중앙 개구와 페이스면(180a)에서의 강체 림(50)의 폭을 한정한다. 페이스면(180a)에서의 강체 림(50)의 폭은 와류 공동을 지지하기에 충분하다. 일단 와류 공동이 형성되면 튜브(180)의 강체 림(50)에 안착될 수 있다. 한 실시예에서, 제 1 스피너는 스피너(180)와 유사한 중공 튜브 또는 링(170)(도 6 참조)일 수 있다. 두 스피너(180) 모터(27)(도 6)에 의해 회전되거나 또는 유체 회전에 의해 구동될 수 있다. 도 3B 및 도 4B에 도시된 바와 같이, 제 2 스피너(180)의 하단부(180b)는 회전 페이스면(180a)이 개구부(19)보다 약간 위에 있는 한 베젤(12)의 제 2 챔버(16) 내로 연장될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 제 2 챔버의 하부는 회전 유체가 제 2 챔버(16)로부터 유출구(22)를 통해 배출되기 전에 회전 유체의 회전 유동을 분쇄하고 "진정시킬 수 있는" 복수의 분리 배플 챔버(250)로 채워질 수 있다. 도 3B 및 도 4B에 도시된 바와 같이, 배플 챔버(250)는 배플 챔버(250)를 형성하는 제 2 챔버(16) 내로 바닥 벽(20)으로부터 상향으로 플랩(260)이 돌출하도록 바닥 벽(20)의 내측에 장착된 복수의 플랩(260)에 의해 배플 챔버(250)가 형성될 수 있다. 배플 챔버(250)로부터의 회전 유체는 배출구(22)를 통해 순환 시스템(24)으로 흐를 수 있다. 한 실시예에서, 회전 유체의 흐름이 느려지도록 플랩(260)은 생략되거나 순환 시스템(24)의 배관 네트워크(28) 내로 장착될 수 있다.
또한, 도 5a는 장치(10)의 제 1 스피너(17) 및 제 2 스피너(18)가 미리 결정된 속도로 회전할 때 형성된 와류 공동의 개략도이다. 베젤(12)는 물로 채워져 와류 형성 과정이 쉽게 관찰될 수 있다. 즉, 회전 유체는 물이다. 도 5B는 장치(10)의 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)가 정지되어 있을 때 회전 수(water)에 형성된 와류 공동의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도 5A에 도시된 바와 같이, 2 개의 스피너(17, 18)가 소정의 회전 속도로 회전할 때 제 1 스피너(17)와 제 2 스피너(18) 사이에 형성된 와류 공동(40)은 매끄럽고 리플이 없는 벽을 갖는다. 다른 한편으로 도 5B에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 스피너(17, 18)가 정지되어 있을 때, 발생된 와류(40)는 명확하게 도시된 리플을 갖는 불안정한 표면을 포함한다.
도 6은 와류 발생 시스템(10)을 채용한 플라즈마 압축 시스템(200)의 예시이다. 상기 시스템(200)은 플라즈마 압축 챔버(120)의 내부 공간(140)을 한정하는 외벽을 갖는 플라즈마 압축 챔버(120)를 포함한다. 상기 챔버의 내부 공간(120)은 예를 들어 액체 매질과 같은 회전 유체로 부분적으로 채워질 수 있다. 액체 매질은 납, 리튬 또는 나트륨과 같은 용융 금속, 또는 그러한 금속의 합금, 조합 또는 혼합물일 수 있다. 챔버(120)는 상기 챔버(120)의 와류 공동(40) 내로 플라즈마를 주입하기 위해 플라즈마 발생기(220)의 팁이 삽입될 수 있는 적어도 하나의 개구를 포함한다. 상기 개구는 챔버(120)의 극(pole)에 또는 적도에 또는 임의의 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 적절한 위치에 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 챔버(120)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 상이한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 압축 챔버(120)는 원통형, 구형, 타원형, 원뿔형 또는 임의의 다른 적합한 형상 또는 이들의 조합일 수 있다. 챔버(120)는 펌핑 시스템(도시되지 않음)을 사용하여 적어도 부분적으로 비워 질 수 있다.
다수의 압력파 발생기(280)는 챔버(120) 내에 포함된 매체 내에 압력파를 생성하도록 구성될 수 있다. 압력파 발생기(280)는 챔버(120)의 외벽에 충돌함으로써 매체 내에 압력파를 생성할 수 있다. 압력파 발생기(220)는 압축 챔버(120) 내로 주입되는 플라즈마를 발생시키고 가속시키기 위한 2 단계의 마샬 건(Marshall gun) 유형의 분사기일 수 있다. 플라즈마는 토로이달(toroidal) 및 폴로이달(poloidal) 자기장을 갖는 자기-지속 토로이달 플라즈마인 예를들어 자기 부상형(spheromak)과 같은 컴팩트 토로이드(compact toroid, CT)일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 CT는 플라즈마의 영역-반전 구성(FRC)일 수 있으며, 이는 또한 토로이드 자기 토폴로지를 가지지만, 축 방향으로 더 연장될 수 있고, 외면이 장 타원형과 유사하며, 작거나 제로 토로이드 자기장 성분 또는 토카막, 스텔라레이터 또는 역전된 영역 핀치(RFP)와 같은 임의의 다른 소형 토로이드 형상을 갖는 폴로이달 자기장을 포함할 수 있다. 플라즈마 발생기(220)는 챔버(120)의 외벽에 형성된 개구 내로 유체 밀봉 방식으로 정렬되어 삽입된다. 도시된 예에서, 챔버(120)는 각각의 폴(pole)에 2개의 개구를 가지므로 2 개의 발생기(220 각 개구 당 하나씩)가 있다. 각각의 발전기(220)에서 발생된 플라즈마는 전술한 바와 같은 와류 발생 시스템을 사용하여 제 1 스피너(170)와 제 2 스피너(180) 사이에 형성된 와류 공동(40) 내로 주입된다. 주입된 두 플라즈마는 그 다음에 와류 공동(40) 내에서 병합될 수 있다.
도 6은 링으로 구성된 제 1 스피너(170) 및 중공 튜브로 구성된 제 2 스피너(180)를 도시한다. 상기 스피너(170, 180)는 상기 와류 공동(40)을 형성 및 안정화시키는 동작 중에 각 페이스 단부(170a, 180a)를 덮도록 구성된 이동 가능한 리드(lid)(210)를 더 포함할 수 있다. 상기 각 스피너(170, 180)의 단부(170b, 180b)는 플라즈마가 중공 스피너(170, 180)를 통해 와류 공동(40) 내로 주입될 수 있도록 플라즈마 발생기(220)와 유체 연통될 수 있다. 상기 리드(210)는 상기 리드가 페이스 단부(170a, 180a)를 폐쇄하는 제 1 위치(페이스 단부(180a)를 커버하는 리드(210)를 도시하는 도 6의 제 2 스피너 참조)로부터 페이스 단부(170a, 180a)가 개방되는 제 2 위치(슬릿(240)내에 후퇴되는 리드(210)를 도시하는 제 1 스피너(170) 참조)까지 이동가능할 수 있다. 따라서, 안정한 와류(40)가 이러한 스피너의 강체 림(50)에 의해 지지되는 제 1 및 제 2 스피너(170, 180) 사이에 놓이면 리드(210)는 그루브 또는 슬릿(240) 내로 후퇴될 수 있다. 슬릿(240)은 각 스피너(170, 180)의 측벽의 내측에 형성될 수 있어서, 리드(210)는 제 2 위치에 있을 때 슬릿 내에서 후퇴될 수 있다. 리드(210)는 전기 또는 기계적 드라이버일 수 있는 드라이버(도시되지 않음)를 사용하여 그 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 이동할 수 있다. 리드(210)의 구동은 각각의 스피너(170, 180)의 단부(170a, 180a)를 폐쇄하거나 개방하도록 리드(210)를 구동하기 위해 드라이버를 트리거링할 수 있는 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 상기 시스템(10)을 사용하여 안정된 와류 공동을 발생하기 위해, 리드(210)는 각각의 스피너(170, 180)의 페이스 단부(170a, 180a)를 폐쇄하는 제 1 위치에 있을 수 있다. 상기 시스템은 예상되는 와류 치수 및 시스템 매개 변수에 기초하여 계산된 유체의 소정 체적으로 채워질 수 있다.
한 작동 모드에서, 펌핑 시스템(24)은 회전 유체의 회전 유동으로 인해 회전 유체의 펌핑 및 순환을 시작하고 와류 공동(40)를 형성할 수 있다. 배출구(22) 위의 스피너(회전 또는 정지)의 존재는 와류 공동(40)이 배출구(22) 내로 연장되는 것을 방지할 것으로 예상된다. 배출구(22)는 플라즈마 발생기(220)의 팁이 유체 기밀 방식으로 삽입되고 챔버의 개구 주위에 형성된 환형 링일 수 있다; 환형 링의 중심은 스피너(170, 180)의 축 상에 있을 수 있다. 스피너(170, 180)는
차례로 와류 표면 상에 고주파 리플의 형성을 방지할 것으로 기대되는 스피너(170, 180)의 벽(페이스 면(170a, 180a))상의 경계층의 발달을 제거할 것으로 예상되는 회전 유체/와류 공동 계면(액체/기체 또는 액체/진공 계면)의 속도와 일치하는 속도로 회전될 수 있다. 일단 안정된 와류 공동(40)이 스피너(170, 180) 사이에 놓이면, 리드(210)는 스피너(170, 180)의 단부(170a, 180a)를 개방하는 제 2 위치에서 후퇴하여 와류 공동(40)이 플라즈마 발생기(220)와 소통하게 되고 와류 공동(40) 내로 플라즈마를 삽입할 수 있다.
한 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 펌프(26) 앞에 챔버(270)(자유 표면을 형성하기 위한 큰 용적)가 형성되어 유체 흐름이 챔버(270)에서 차단 및 감속됨에 따라 유체가 펌프(26)로 들어가기 전에 발생할 수 있는 모든 포획된 가스 기포를 제거하게 된다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 형성된 와류 공동(40)이 수직으로(도 2 내지도 6에 도시된 바와 같이) 또는 수평으로 배향될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 스피너(17, 170 및 18, 180)는 챔버(12, 120)의 측벽에 장착되어 유체가 챔버(12, 120)의 하부 및/또는 상부에 형성된 복수의 포트(13)로부터 챔버 내로 주입될 수 있고, 챔버(12, 120)의 측벽에 형성된 배출 개구로부터 배출될 수 있다. 챔버 내의 유체의 회전 유동은 이와같이 배치된 스피너(17/170 및 18/180) 사이에 위치하는 와류 공동을 성공적으로 생성하기 위한 중력을 발생하도록 충분히 높을 필요가 있다.
상술한 와류 발생 시스템의 예는 와류 공동(40)에 삽입된 플라즈마가 압력파 발생기(280)에 의해 생성된 수렴 압력파에 의해 압축될 수 있도록 플라즈마 압축 시스템에서 사용될 수 있다. 이러한 수렴 압력파는 내부에 포획된 플라즈마를 압축하여 와류 공동(40)을 붕괴한다. 또한 이러한 시스템은 와류 형성, 역학 및 상호 작용을 연구하거나 다양한 입자 분리 시스템에서 연구 목적으로 사용될 수 있다.
본 명세서의 특정 요소, 실시예 및 적용예가 도시되고 설명되었지만, 특히 전술한 실시예에 비추어 볼 때 본 명세서의 범위를 벗어나지 않고 수정이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 공정에서, 방법/공정을 구성하는 작업 또는 동작은 임의의 적절한 시퀀스로 수행될 수 있으며 반드시 임의의 특정 개시된 시퀀스에만 한정되는 것은 아니다. 구성 요소 및 구성 요소는 다양한 실시예에서 상이하게 구성되거나, 결합되거나 및/또는 제거될 수 있다. 전술한 다양한 특징 및 공정은 서로 독립적으로 사용될 수 있거나, 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 모든 가능한 조합 및 부 조합은 본 명세서의 범위 내에 속한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "일부 실시예", "실시예"등은 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 단계, 공정 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 "일부 실시예에서", "실시예에서"등의 표현의 출현은 반드시 동일한 실시예를 모두 지칭하는 것은 아니며 동일하거나 상이한 실시예 중 하나 이상을 지칭할 수도 있다. 실제로, 여기에 기술된 신규한 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 실시예의 형태의 다양한 생략, 추가, 대체, 균등물, 재배치 및 변경이 본 명세서에 기재된 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
적절한 경우에 실시예들의 다양한 양상들 및 장점들이 설명되었다. 반드시 그러한 모든 양태 또는 이점이 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들어 본 명세서에서 교시되거나 제안된 바와 같은 다른 양태 또는 이점을 반드시 달성하지 않으면서 본원에서 교시된 바와 같은 장점들 또는 장점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 다양한 실시예들이 수행될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
달리 명시하지 않는 한, 또는 사용된 문맥 내에서 다른 것으로 이해되지 않는 한, 본문에서 사용된 조건 언어, 예컨대 "can", "could", "might", "may" "e.g.예"등은 특별히 다른 것을 서술하거나 사용된 문맥내에서 이해되지 않는한 일반적으로 포함하지 않는 일부 특징, 요소 및/또는 단계를 포함하지만 다른 실시예는 포함하지 않는다는 것을 일반적으로 전달하기 위한 것이다. 따라서, 그러한 조건 언어는 일반적으로 하나 이상의 실시예에 대해 특징, 요소 및/또는 단계가 어떤 식 으로든 요구된다는 것을 의미하지 않으며, 또는 하나 이상의 실시예는 필연적으로 작업자의 입력 또는 프롬프팅을 가지거나 가지지 않고 결정하기 위한 로직을 포함하여 수행되는 것을 암시하지는 않는다. 임의의 특정 실시예에 필수이거나 필수적인 단일 특성 또는 특성 그룹은 없다. "구성되는", "포함하는", "갖는" 등의 용어는 동의어이며 제한없는 방식으로 포괄적으로 사용되며 추가 요소, 특징, 동작, 동작 등을 배제하지 않는다. 또한, "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미로 사용되며, 배타적인 의미로 사용되지는 않는다. 예를 들어, 요소 목록을 연결하는 데 사용되는 경우 "또는"이라는 용어는(또는) 하나, 일부 또는 목록의 요소를 의미한다.
"X, Y 및 Z 중 적어도 하나"와 같은 결합 언어는 다른 언급이 없는 한 일반적으로 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z 중 하나일 수 있음을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 문맥으로 이해된다. 따라서, 이러한 결합 언어는 어떤 실시예가 각각에 대해 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나를 필요로 한다는 것을 의미하는 것은 아니다.
여기에 기술된 실시예의 예시적인 계산, 시뮬레이션, 결과, 그래프, 값 및 파라미터는 개시된 실시예를 예시하고 제한하지 않는다. 다른 실시예들은 여기서 설명된 예시적인 실시예 들과는 다르게 구성 및/또는 동작될 수 있다. 실제로, 여기에 기술된 신규한 방법 및 장치는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템의 형태에서 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 명세서에 개시된 발명의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
Claims (24)
- 회전 유체 내에 와류 공동을 발생시키는 장치에 있어서,
상기 장치가 베젤을 포함하여 구성되고,
상기 베젤은,
상기 베젤 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 페이스 면을 갖는 제 1 스피너;
상기 제 1 스피너로부터 이격되고 상기 베젤 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 페이스 면을 가지는 제 2 스피너, 상기 제 2 스피너의 회전 가능한 페이스 면은 상기 제 1 스피너의 회전 가능한 페이스 면과 동축으로 면하고;
상기 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 상기 회전 유체의 회전 유동을 야기하는 방식으로 회전 유체가 상기 베젤 내로 주입되고 베젤에서 배출될 수 있도록 베젤 내부와 유체 연통하는 적어도 하나의 유체 주입구 및 베젤 내부와 유체연통하는 적어도 하나의 유체 배출구를 포함하는 유체 순환 시스템을 포함하여 구성되고,
상기 유체는 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 연장되는 와류공동을 형성하도록 충분한 각 운동량으로 회전하고, 상기 와류공동의 한 단부는 제 1 스피너의 회전가능한 페이스 면에 위치하고 상기 와류공동의 대향 단부는 제 2 스피너의 회전가능한 페이스 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배출구는 상기 제 1 및 제 2 스피너와 동축 인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유체 펌프 및 상기 적어도 하나의 유체 입구 및 상기 적어도 하나의 유체 배출구에 유체 연결되는 배관 네트워크를 더 포함하여, 적어도 하나의 유체 배출구를 통해 베젤로부터 방출된 회전 유체가 적어도 하나의 유체 입구를 통해 베젤 내로 재순환되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스피너 중 적어도 하나의 회전 가능한 페이스면은 상기 와류 공동을 지지하기에 충분한 폭을 갖는 강체 림에 의해 둘러싸인 중앙 개구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스피너 중 적어도 하나는 중공 튜브이고, 상기 강체 림에 의해 둘러싸인 상기 중앙 개구를 포함하는 상기 회전 가능한 페이스면은 상기 중공 튜브의 한 단부에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 중공 튜브는 외주를 따라 연장되는 슬릿을 갖는 내부 측벽, 이동 가능한 리드, 및 상기 이동 가능한 리드와 연통하는 드라이버를 포함하고, 상기 드라이버는 중앙 개구를 폐쇄하는 제 1 위치 및 중앙 개구를 폐쇄하지 않는 제 2 위치사이에서 이동가능한 리드를 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스피너를 소정의 회전 속도로 회전시킬 수 있는 적어도 하나의 모터를 더 포함하는 것을 특징으로하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 7 항에 있어서, 2 개의 모터, 즉 상기 제 1 스피너에 결합된 제 1 모터 및 상기 제 2 스피너에 결합된 제 2 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모터와 전기적으로 통신하고 상기 제 1 및 제 2 스피너의 회전 속도를 각각 조정하기 위해 적어도 하나의 모터를 작동 시키도록 프로그래밍된 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스피너는 각각 상기 제 1 및 제 2 스피너의 하부면에 연결되어 그로부터 연장되는 다수의 핀을 더 포함하고, 상기 복수의 핀은 회전 유체의 회전 방향에 실질적으로 수직하게 배향되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베젤의 측벽 둘레에 원주 방향으로 배치되고 상기 회전 유체가 상기 베젤 내로 접선 방향으로 주입되도록 위치된 다수의 유체 입구를 더 포함하고, 상기 베젤은 제 1 스피너에 인접한 제 1 단부와 제 2 단부에 인접한 제 2 단부를 포함하고, 적어도 하나의 배출구가 상기 베젤의 제 2 단부에 위치하고 제 2 스피너로부터 이격된 한 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 11 항에 있어서, 상기 베젤의 상기 제 1 단부에 위치되고 상기 제 1 스피너로부터 이격된 다른 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베젤은 적어도 하나의 개구를 가지고 상기 베젤의 내부를 제 1 챔버와 제 2 챔버로 분리하는 분리 벽을 더 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 스피너는 상기 분리 벽에 장착되고 상기 분리 벽 내의 적어도 하나의 개구로부터 이격된 상기 제 2 스피너와 함께 상기 제 1 챔버 내에 위치되고, 상기 적어도 하나의 유체 입구는 상기 제 1 챔버와 유체 연통하고 상기 적어도 하나의 배출구는 제 2 챔버와 유채연통하며, 상기 적어도 하나의 개구는 상기 회전 유체가 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로 배출되도록 상기 분리 벽에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 챔버 내를 유동하는 회전 유체가 상기 배플과 접촉할 때 느려지도록 상기 제 2 챔버의 하부에 장착된 복수의 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배출구로 유동하는 유체가 상기 배플과의 접촉시 느려지도록, 상기 적어도 하나의 배출구에 장착된 복수의 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 플라즈마 압축 시스템에 있어서,
유체를 수용하고, 플라즈마 압축 챔버의 내부 공간을 구획하는 외벽 및 베젤의 내부 공간에 대한 접근을 제공하는 개구를 가지는 플라즈마 압축 챔버;
적어도 하나의 유체 주입구 및 상기 적어도 하나의 유체 주입구로부터 이격된 적어도 하나의 유체 배출구를 포함하는 유체 순환 시스템;
생성된 플라즈마가 상기 플라즈마 압축 챔버 내로 배출될 수 있도록 개구를 통해 내부 공간과 유체 연통하는 배출구를 가지고 플라즈마를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 플라즈마 발생기;
와류 공동 발생 장치를 포함하여 구성되고,
상기 와류 공동 발생 장치는,
상기 플라즈마 압축 챔버 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 페이스면을 갖는 제 1 스피너;
상기 제 1 스피너로부터 이격되고 상기 플라즈마 압축 챔버 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 가능한 페이스면을 가지는 제 2 스피너, 상기 제 2 스피너의 회전가능한 페이스면은 상기 제 1 스피너의 회전 가능한 페이스 면과 동축을 이루고;
상기 유체 순환 시스템은 유체가 제 1 및 제 2 스피너 사이에 연장되는 와류공동을 형성하기 위해 충분한 각 운동량으로 회전하도록 적어도 하나의 유체 주입구를 통해 주입되고 적어도 하나의 유체 배출구를 통해 배출됨으로써 베젤내로 유체가 순환되도록 구성되고, 상기 와류공동의 한 단부는 제 1 스피너의 회전가능한 페이스 면에 위치하고 상기 와류공동의 대향 단부는 제 2 스피너의 회전가능한 페이스 면에 위치하고,
상기 제 1 및 제 2 스피너 중 적어도 하나는 상기 와류 공동을 지지하기에 충분한 폭을 갖는 강체 림에 의해 둘러싸인 중앙 개구를 포함하고, 상기 중앙 개구는 상기 플라즈마 생성기에 의해 배출된 플라즈마가 와류 공동으로 들어가도록 플라즈마 생성기의 배출구 및 베젤의 개구와 정렬되며,
회전 유체내에 압력파를 발생시기도록 구성된 압력파 발생기, 발생된 압력파는 와류 공동을 붕괴시키고 내부에 포획된 플라즈마를 압축하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 압축 시스템. - 제 16 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배출구는 상기 제 1 및 제 2 스피너와 동축인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 16 항에 있어서, 중앙 개구를 갖는 적어도 하나의 스피너는 중공 튜브이고, 강체 림에 의해 둘러싸인 중앙 개구를 포함하는 회전 가능한 페이스 면은 중공 튜브의 한 단부에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 18 항에 있어서, 상기 중공 튜브는 원주를 따라 연장되는 슬릿을 갖는 내부 측벽, 이동 가능한 리드 및 상기 이동 가능한 리드와 연통하는 드라이버를 더 포함하고, 상기 드라이버는 상기 이동 가능한 리드를 중앙 개구를 폐쇄하는 제 1 위치와 중앙 개구를 폐쇄하지 않는 제 2 위치 사이에서 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스피너를 소정의 회전 속도로 회전시킬 수 있는 적어도 하나의 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 20 항에 있어서, 2 개의 모터, 즉 상기 제 1 스피너에 결합된 제 1 모터 및 상기 제 2 스피너에 결합된 제 2 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모터와 전기 통신하고, 상기 적어도 하나의 모터를 작동시켜 상기 제 1 및 제 2 스피너의 회전 속도를 각각 조절하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스피너는 각각 상기 제 1 및 제 2 스피너의 하부면에 연결되고 그로부터 이격 연장되는 복수의 핀을 각각 더 포함하여 상기 복수의 핀이 회전 유체의 회전 방향에 실질적으로 수직하게 배향되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 플라즈마 압축 시스템의 와류 공동 생성 방법에 있어서,
플라즈마 압축 챔버 내부에 제 1 스피너 및 상기 제 1 스피너로부터 이격된 플라즈마 압축 챔버 내부에 제 2 스피너를 제공하며, 상기 제 1 및 제 2 스피너는 각각 서로 동축으로 면하는 상기 플라즈마 압축 챔버 내에 장착된 회전가능한 페이스 면을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 스피너 사이에서 연장되는 와류 공동을 형성하기에 충분한 각 운동량을 갖는 플라즈마 압축 챔버 내부에서 회전 유체를 순환시키고; 및
와류 공동의 제 1 단부가 제 1 스피너의 회전 가능한 페이스면 상에 안착되고, 와류 공동의 대향된 제 2 단부가 제 2 스피너의 회전 가능한 페이스면 상에 안착되는 속도로 제 1 및 제 2 스피너의 회전 가능한 페이스면을 회전시키는 것을 특징으로하는 와류 공동 생성 방법.
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