KR102327641B1 - 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법 - Google Patents

펄스식 플라즈마 엔진 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102327641B1
KR102327641B1 KR1020177002446A KR20177002446A KR102327641B1 KR 102327641 B1 KR102327641 B1 KR 102327641B1 KR 1020177002446 A KR1020177002446 A KR 1020177002446A KR 20177002446 A KR20177002446 A KR 20177002446A KR 102327641 B1 KR102327641 B1 KR 102327641B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
chamber
engine
pulse
electrodes
Prior art date
Application number
KR1020177002446A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170024055A (ko
Inventor
하인리히 프란츠 클로스터만
Original Assignee
하인리히 프란츠 클로스터만
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 하인리히 프란츠 클로스터만 filed Critical 하인리히 프란츠 클로스터만
Publication of KR20170024055A publication Critical patent/KR20170024055A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102327641B1 publication Critical patent/KR102327641B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B51/00—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines
    • F02B51/04—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines involving electricity or magnetism
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H05H1/50—Generating plasma using an arc and using applied magnetic fields, e.g. for focusing or rotating the arc
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/52—Generating plasma using exploding wires or spark gaps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Preliminary Treatment Of Fibers (AREA)

Abstract

펄스식 플라즈마 엔진 및 방법에 있어서, 이 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법에서, 불연성 가스가 폭발 챔버 내로 도입되고, 가스는 이온화되어 챔버 내에 플라즈마를 형성하며, 전기 펄스가 플라즈마에 적용되어 플라즈마를 가열하고, 펄스는 플라즈마에서 폭발성 압력 펄스를 생성하도록 턴 오프되고, 플라즈마는 압력 펄스에 의해 구동되는 출력 부재를 향해 압력 펄스를 지향시키는 자기장에 의해 챔버 내에 한정된다.

Description

펄스식 플라즈마 엔진 및 방법 {PULSED PLASMA ENGINE AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 엔진들(engines), 보다 특히, 펄스식 플라즈마 엔진 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
펄스식 플라스마 엔진은, 일반적으로, 내연기관들에 사용되는 가연성 가스들(combustible gases) 대신에 공기, 산소, 질소 또는 불활성 가스(들)와 같은 불연성 가스들(non-combustible gases)을 사용한다는 점을 제외하고는, 내연 기관(internal combustion engine)과 원칙적으로 유사한 내부 폭발 엔진(internal explosion engine)의 일종이다.
미국 특허 제 7,076,950 호는 실린더, 실린더 내에서 피스톤이 전후로(back and forth) 이동함에 따라 반대 방식으로 체적이 변하는 한 쌍의 챔버들로 실린더를 분할하는 피스톤, 각각의 챔버들 내에 밀봉된 불연성 가스의 차지(charge), 폭발 방식으로 2 개의 챔버들에서 불연성 가스를 번갈아 점화시켜 피스톤을 전후로 드라이브시키는 수단, 및 피스톤의 운동에 응답하여 전기 에너지를 제공하기 위해 피스톤에 커플링되는 수단을 갖는 내부 폭발 엔진 및 제너레이터를 개시한다.
내부 폭발 엔진의 다른 예들은 미국 특허 제 3,670,494 호 및 제 4,428,193 호에서 발견되고 있다.
일반적으로, 본 발명의 목적은 신규의 개선된 펄스식 플라즈마 엔진 및 이를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 지금까지 제공된 엔진들의 한계들 및 단점들을 극복하는 상기 특성의 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적은 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법을 제공함으로서 본 발명에 따라 성취되는데, 이 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법에서, 불연성 가스가 폭발 챔버 내로 도입되고, 가스는 이온화되어 챔버 내에 플라즈마를 형성하며, 전기 펄스가 플라즈마에 적용되어 플라즈마를 가열하고, 펄스는 플라즈마에서 폭발성 압력 펄스를 생성하도록 턴 오프되고, 플라즈마는 압력 펄스에 의해 구동되는 출력 부재를 향해 압력 펄스를 지향시키는 자기장에 의해 챔버 내에 한정된다.
도 1은 본 발명을 포함하는 펄스식 플라즈마 엔진용 파워 코어 모듈(power core module)의 일 실시예의 수직 단면도이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 플라즈마를 펄싱하기 위한 전기 회로의 개략도와 결합된 도 1의 라인 2-2를 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1의 실시예의 작동을 예시하는 개략적인 단편적 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명을 포함하는 터빈 엔진의 일 실시예의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명을 포함하는 터빈 엔진의 일 실시예의 수직 단면도이다.
도 6은 본 발명을 포함하는 왕복 운동 피스톤 엔진의 일 실시예의 수직 단면도이다.
도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 파워 코어는 폭발 챔버(11), 한 쌍의 전극들(12, 13), 공기와 같은 불연성 가스가 챔버 내로 도입되는 밸브(14), 챔버 내에서 플라즈마를 형성하기 위해 가스를 이온화하기 위한 수단(16), 플라즈마를 가열하고 폭발성 압력 펄스를 발생시키도록 전극에 전기 펄스를 적용하기 위한 회로(17), 및 플라즈마를 한정하며 챔버의 단부들에서 터빈 휠들 또는 왕복 운동 피스톤들(도시되지 않음)과 같은 출력 부재들을 향해 압력 펄스들을 지향하도록 챔버 내에 자기장을 생성하기 위한 자석들(18, 19)을 갖는다.
파워 코어는 중앙 섹션의 대향 측면들 상에 단부 피스들(23, 24)과 함께 중앙 본체 섹션(22)을 갖는 일반적으로 정사각형 또는 직사각형 모듈(21)의 형태로 구성된다. 축 방향으로 정렬된 보어들(26, 28)은 3 개의 섹션들을 통해 연장하여 단부 피스들을 통해 개방되는 폭발 챔버를 형성한다. 보어들은 일반적으로 원형이고 동일한 직경을 가지며, 챔버의 측벽은 일반적으로 원통형이다. 중앙 본체 섹션(22)은 산화 규소 세라믹(silicon oxide ceramic)과 같은 절연성 세라믹 재료로 제작되고, 단부 피스들(23, 24)은 열 전도성이 낮은 전기적으로 비전도성인 세라믹 재료로 제작된다. 3 개의 섹션들은 중심 섹션 및 단부 피스들의 장착 구멍들(29, 30)을 통과하는 볼트들(도시되지 않음)에 의해 함께 유지된다.
전극들(12, 13)은 중앙 본체 섹션(22)의 수직으로 정렬된 보어들(31, 32)에 장착되고, 전극들의 팁들은 폭발 챔버 내로 연장하고 O-링들(33, 34)은 전극들과 보어들의 벽들 사이에 시일들을 제공한다. 전극들은 텅스텐 또는 토륨 텅스텐(thoriated tungsten)과 같은 고온, 전기 전도성 재료로 제작된다.
밸브(14)는 폭발 챔버용 보어와 교차하여 연통하는 수평으로 연장하는 크로스 보어(36)에 장착된 일방향 체크 밸브(one-way check valve)이다. 밸브는 스프링 또는 다른 적절한 수단(도시되지 않음)에 의해 밸브 시트와의 밀봉 맞물림(sealing engagement)으로 가압되는 선회식으로(pivotally) 장착되는 밸브 부재(39)를 갖는 밸브 시트(38)에 의해 둘러싸인 입구 개구(37)를 갖는다. 밸브는 또한 밸브 본체와 보어의 벽 사이에 시일을 제공하는 O 링(42)과 함께 폭발 챔버와 직접 연통하는 출구 포트(41)를 갖는다. 이 밸브는 공기 및 다른 가스들이 입구 포트를 통해 챔버로 유입하는 것을 허용하며 공기 및 다른 가스들이 챔버로부터 빠져 나가는 것을 방지한다.
예시된 실시예에서, 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성하는 수단(16)은, 중앙 본체 섹션(22)의 제 2 수평 연장 크로스 보어(46)에 장착되는 카트리지(44)에서 아메리슘(Americium), 루비듐(rubidium) 또는 토륨(thorium)과 같은 방사성 재료의 소스(43)를 갖는 방사 이온화기(radiation ionizer)를 포함한다. 이 크로스 보어가 먼저 정렬되며, 이는 또한 챔버용 보어와 교차한다. 카트리지는 챔버를 향한(facing) 방사성 재료 및 카트리지와 보어의 벽 사이에 시일을 제공하는 O-링(47)과 함께 배향된다. 대안으로, 소망한다면, 이온화는 높은 방전개시 전압(high breakdown voltage) 또는 고주파 방사(high frequency radiation)와 같은 다른 적절한 수단에 의해 행해질 수 있다.
점화 회로(ignition circuit)(17)는 배터리(51) 및 전극들(12, 13)에 직렬로 전기적으로 연결되는 1 차 권선(primary winding)(49a)을 갖는 변압기(transformer)(49)를 포함하는 높은 에너지 펄스들의 소스를 포함한다. 권선은 점화 코일로서의 역할을 하고, 커패시터(capacitor)(52)가 코일에 인가된 전류를 강하게하기 위해 배터리를 가로질러 연결된다. 1 차 권선 또는 코일의 일 단부는 전극(12)에 직접 연결되고, 다른 단부는 배터리의 양극 단자에 연결된다. 음극 단자는 ON/OFF 스위치(54) 및 퓨즈(56)를 통해 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: insulated-gate bipolar transistor)(53)의 에미터(emitter)에 연결된다. IGBT의 콜렉터(collector)는 제 2 전극(13)에 연결되고, 펄스 생성기(pulse generator)(57)는 게이트에 연결된다.
브리지 정류기(bridge rectifier)(59)는 배터리(51)를 충전하기 위한 회로에 포함된다. 예시된 실시예에서, 변압기(49)는 조정 가능한 변압기이며, 정류기의 하나의 입력은 2 차 권선(49b)의 일 단부에 연결되고, 정류기의 다른 하나의 입력은 2 차 권선 상의 가변 탭(variable tap)(61)에 연결된다. 정류기의 하나의 출력은 배터리의 양극 단자에 연결되고, 정류기의 다른 출력은 음극 단자에 연결된다.
자석들(18, 19)은 챔버의 대향 단부들을 향해 카운터보어들(counterbores)(63, 64)의 폭발 챔버와 동축으로 배치되는 희토류의, 방사상으로 분극된 영구 링 자석들(rare earth, radially polarized, permanent ring magnets)이다. 단부 피스들(23, 24)은 카운터보어들 내로 연장하고 자석들에 의해 원으로 둘러싸이는 축 방향으로 연장하는 원통형 플랜지들(23a, 24a)을 갖는다. 단부 피스들은 자석들에 대한 열 차폐(heat shielding)를 제공하고 그리고 또한 모듈을 엔진의 나머지 부분에 장착하기 위한 어댑터들(adapters)로서 기능하며, 실린더 헤드들 대신에 종래의 내연 기관의 블록 상에 장착하는 것을 포함한다. 단부 피스들은 상이한 엔진들에 부합하도록 원하는 대로 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2의 실시예에서, 이들은 폭발 챔버와 연통하고 단부 피스들의 외부면들 또는 장착 표면들(23c, 24c)을 통해 개방되는 원추형의 테이퍼진 출력 포트들(conically tapered output ports)(23b, 24b)을 가지며, 파워 코어 모듈은 장착 홀들(29, 30)을 통과하는 볼트들(도시생략)에 의해 엔진의 나머지 부분에 부착된다.
파워 코어의 작동 및 사용 그리고 여기서 본 발명의 방법은 다음과 같다. 체크 밸브(14)를 통해 폭발 챔버(11) 내로 공기가 유입되고, 배터리(51)로부터의 차지가 커패시터(52)에 축적됨과 동시에 ON/OFF 스위치(54)가 폐쇄되어 점화 회로가 턴 온된다. 챔버 내의 공기는 소스(43)로부터의 방사에 의해 이온화되어 전극들(12, 13) 사이에 전기 전도성 플라즈마를 생성한다. 펄스 생성기(57)에 의해 IGBT(53)의 게이트에 인가되는 펄스들은 IGBT가 턴 온되어 변압기 권선(49), 배터리 및 전극들 사이의 회로를 완성는 것을 유발한다. 이는 권선을 통한 전류의 갑작스러운 증가를 야기하고 전극들에 인가되는 고 에너지 펄스들을 발생시킨다. 전극들 사이의 전기 전도성 플라즈마를 통해 흐르는 전류는 플라즈마를 매우 높은 온도로 가열하고, 각각의 펄스가 턴 온되어있는 한, 가열된 플라즈마는 전극들 사이의 갭에 남아있게 된다. 펄스가 턴 오프되면, 열은 갭으로부터 폭발 방식으로 방출되어, 터빈 또는 피스톤과 같은 출력 부재를 구동하는데 활용될 수 있는 고압 충격 펄스를 발생시킨다.
도 3에 예시된 바와 같이, 자석(18)은 링의 내부 측 상에 그의 N 극(north pole)과 외부 측 상에 S 극으로 분극되며, 자석(19)은 링의 외부 측 상에 그의 N 극과 내부 측 상에 S 극으로 반대 방향으로 분극된다. 자석들에 의해 생성된 자기장은 챔버 내에서 플라즈마(66)를 한정하고 플럭스 라인들(67)로 예시된 바와 같이 압력 쇼크 펄스들을 챔버의 단부들을 향해 축 방향으로 지향시킨다.
전기 펄스들은 짧은 지속기간 및 빠른 상승 시간의 직사각형 펄스들이며, 전극들 사이의 플라즈마의 전도도는 매우 높으며, 전형적으로, 금, 은 또는 구리와 같은 솔리드 전도체들의 전도도보다 크다. 따라서, 펄스들이 전극들에 인가되면, 아크가 즉시 형성되고, 플라즈마의 온도는 매우 빠르게 상승한다. 온도는 아크 전반에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지되고, 짧은 지속기간의 높은 아크 온도는 더 긴 지속기간 중 하나의 지속기간에서 챔버의 압력과 실질적으로 동일한 압력을 발생시킨다.
전기 펄스들은 바람직하게는 1 밀리 초 미만의 폭 또는 지속기간을 가지며, 초당 500 내지 1,000 정도의 속도로 발생하고, 그리고, 인가되는 파워 또는 에너지의 레벨에 따라, 플라즈마는 나노초들로 1,000 내지 100,000 ℃ 정도의 온도들에 도달할 수 있다. 아크는 마찬가지로 펄스들이 턴 오프되면 나노초들 또는 마이크로초들 내에서 턴 오프된다. 예컨대, 100 킬로와트 파워 공급 및 1 밀리 초의 펄스 폭을 사용하면, 전극들에 인가된 에너지는 밀리초당 100 줄 또는 마이크로초당 0.1 줄 정도이다.
플라즈마의 열은 아크가 턴 온되어있는 동안 아크에 포함된다. 아크가 턴 오프되면, 열(heat)은 아크 갭으로부터 폭발식으로 방출되어, 매우 짧은 지속기간(예컨대, 마이크로초)의 충격 펄스를 발생시킨다.
아크를 발생시키기 위해 변압기(49)의 1 차 권선을 통해 흐르는 전류는 정류기(59)에 의해 정류되고 배터리를 재충전하기 위해 배터리(51)에 인가되는 2 차 권선(49b)에서 대응하는 전류를 유도한다.
도 4는 파워 코어(21)가 한 쌍의 터빈 휠들(68, 69)을 구동하는 엔진을 예시한다. 이 엔진은 베이스에 부착된 한 쌍의 지지 블록들(72) 상에 장착된 파워 코어를 갖는 플랫폼 또는 베이스(71) 상에 구성되는 것으로 도시되어 있다. 터빈 휠들(68, 69)은 파워 코어의 대향 단부들에서 베이스에 부착된 지지 블록들(76, 77) 상에 회전식으로 장착되는 출력 샤프트들(73, 74)에 부착된다. 터빈 휠들은 반경 방향으로 구동되며, 출력 샤프트들은 팽창 챔버(11)의 축과 정렬되지만, 이에 수직이고, 휠들의 에지 부분들이 단부 피스들(23, 24)의 외부면들의 원통형 리세스들(78, 79)에 수용된다.
작동시, 파워 코어에 의해 발생된 축 방향으로 지향된 압력 펄스들은 터빈 블레이드들 상에 반경 방향으로 충돌하여, 터빈 휠들 및 출력 샤프트들을 회전시키며, 펄스들은 초당 500 내지 1,000 펄스들 정도의 속도로 전달된다.
도 5는 단일 축방향 유동 터빈 휠(81)이 동력 코어에 의해 구동되는 실시예를 예시한다. 이 엔진은 또한 베이스에 부착된 지지 블록들(83) 상에 장착된 파워 코어와 함께 플랫폼 또는 베이스(82) 상에 구성되는 것으로 도시되어 있다. 터빈 휠(81)은 파워 코어 중 하나의 파워 코어에서 베이스에 부착된 지지 블록(86) 상에 장착된 제너레이터(84)의 입력 샤프트(84a)에 부착되고, 샤프트(84a)는 폭발 챔버(11)와 축 방향 정렬된다.
이 실시예에서, 파워 코어(21)는 에어 갭(88)을 통해 폭발 챔버 내로 공기가 유입되고, 플라즈마가 터빈 휠에 대향하는 챔버의 단부에서 영구 자석(89)에 의해 한정된다는 점에서 다른 실시예들과 상이하다. 자석은 베이스(82)에 부착된 지지 브래킷(91) 상에 장착되고 에어 갭을 형성하도록 단부 피스(23)의 외부면으로부터 이격된다(spaced away). 스페이서들(92)은 단부 피스와 자석 사이에서 연장되고 엔진이 시동될 때 자석을 향해 지향되는 압력 펄스들의 힘에 대항하여 자석을 지지하는 것을 돕는다. 자석은 전방으로부터 후방으로 분극되고 그의 N 극이 외부를 향하고 그의 S 극이 내부를 향하도록 배향되어, 링 자석(18)과 협력하여 플라즈마를 챔버에 한정하는 자기장을 형성할 수 있다. 단부 피스(23)의 입구 포트(23a)의 측벽은 에어 갭과 챔버 사이에서 공기의 유동을 용이하게하기 위해 외측방으로 기울어지고 둥글게 되어 있다.
작동시, 공기는 공기 갭을 통해 챔버로 자유롭게 유동하지만, 공기가 챔버에서 이온화되면, 자석(89) 및 링 자석(18)에 의해 발생된 자기장은 플라즈마를 한정하여 공기 갭을 통해 챔버로부터 공기가 빠져 나가는 것을 방지한다 . 다른 실시예들에서와 같이, 링 자석들(18, 19)에 의해 발생된 자기장은 또한 플라즈마를 한정하며 축 방향으로 압력 펄스들을 지향시켜 터빈 휠(81) 및 제너레이터(84)를 구동시킨다.
도 6의 실시예에서, 파워 코어는 폭발 챔버(11)의 일 단부가 플러그(93)에 의해 폐쇄되고 실린더 블록(94)이 챔버의 다른 단부에서 단부 피스(24)에 부착되는 왕복 운동 피스톤 엔진(reciprocating piston engine)에 활용된다. 파워 코어 모듈 및 실린더 블록은 엔드 플러그(93) 및 실린더 블록(94)으로부터 측방으로 연장되는 장착 탭들 또는 러그들(93a, 94a)의 정렬 개구들(96, 97)을 통과하는 볼트들(도시생략)에 의해 함께 유지된다.
블록 내의 실린더(98)는 폭발 챔버(11)와 축방향으로 정렬되고 단부 피스(24)의 출구 포트(24a)를 통해 폭발 챔버와 직접 연통된다. 피스톤(99)은 상사점 포지션과 하사점 포지션 사이에서 왕복 운동하기 위한 커넥팅 로드(101) 및 리스트 핀(wrist pin)(102)에 의해 크랭크샤프트(도시생략)에 연결되며, 링들(103, 104)이 피스톤과 실린더의 측벽 사이에 압력 기밀 시일을 제공한다.
피스톤이 상사점 위치 또는 다운스트로크에 있거나 근처에 있을 때만 엔진이 연소하도록 실린더 내의 피스톤 포지션을 모니터링하고 전기 펄스들을 제어하는 수단이 제공된다. 이 수단은 피스톤의 측벽 또는 스커트에 장착된 작은 자석(106) 및 실린더의 상부를 향해 실린더 블록의 측벽에 장착 된 홀 효과 센서(Hall effect sensor)(107)를 포함한다. 센서는 점화 회로(17)에 연결되어 전극들로의 펄스들의 인가를 제어한다.
피스톤이 다운스트로크 상에 있을 때, 공기는 도 1, 도 2 및 도 4의 실시예들에서와 같이 일방향 밸브(14)를 통해 폭발 챔버(11)로 흡입된다. 피스톤이 그의 상사점 포지션에 도달하고 전극들 사이의 공기가 완전히 이온화되면, 홀 효과 센서가 점화 회로를 전극들에 연결하여 아크를 생성하고 플라즈마에서 압력 펄스들을 발생시킨다. 폭발 챔버의 일 단부가 플러그에 의해 막히면, 폭발하는 플라즈마에 의해 발생된 압력 펄스들은 모두 피스톤을 향해 지향되어 피스톤을 하사점을 향해 구동시킨다. 피스톤이 하사점에 도달하기 전에, 홀 스위치는 점화 회로를 전극에서 분리하고 피스톤이 다시 상사점 포지션에 도달할 때까지 계속해서 분리한다.
본 발명은 다수의 중요한 특징들 및 이점들을 갖는다. 이는 공기, 산소, 질소 또는 불활성 가스들과 같은 불연성 가스들을 활용하는 매우 효율적인 엔진 및 방법을 제공한다. 가스를 이온화함으로써 발생된 플라즈마는, 전도성이 높으며, 짧은 지속기간의 전기 펄스들이 인가될 때 발생하는 전극들 사이의 강한 아킹(arcing)에 의해 극도로 높은 온도로 가열된다. 밀리초 미만의 지속기간 또는 폭 및 초당 500 내지 1,000 정도의 속도를 갖는 펄스들을 사용하면, 플라즈마는 나노초들에서 1,000 내지 100,000 ℃ 만큼 높은 온도에 도달 할 수 있다. 아킹이 계속되는 한, 플라즈마의 열은 아크에 포함되며, 아크가 턴 오프될 때, 열은 폭발식으로 방출되어 터빈들 또는 피스톤들과 같은 하나 또는 그 초과의 출력 부재들의 구동시 캡처되고 활용되는 강력한 충격 펄스들을 발생시킨다.
엔진의 효율은 플라즈마를 제어하고 충격 펄스들을 출력 부재(들)을 향해 지향시키도록 자기 구속(magnetic confinement)을 사용함으로써 상당히 향상된다.
모듈 형태로 구성됨으로써, 파워 코어는 실린더 헤드들 및 연료 시스템 대신에 엔진 블록에 장착될 수 있는 종래의 내연 기관들을 포함하여 다양한 엔진들에 활용될 수 있다.
전술한 바에 의해, 신규의 개선된 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법이 제공되는 것이 명백하다. 단지 소정의 현재 바람직한 실시예들만이 상세히 설명되었지만, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 바와 같이, 하기 청구항들에 의해 규정된 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 특정 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있다.

Claims (22)

  1. 펄스식 플라즈마 엔진(pulsed plasma engine)으로서,
    챔버(chamber), 상기 챔버 내의 한 쌍의 전극들(electrodes), 상기 챔버에 불연성 가스(noncombustible gas)를 도입하기 위한 수단, 상기 챔버 내에서 플라즈마를 형성하도록 상기 가스를 이온화하기 위한 수단, 상기 플라즈마에 의해 구동되는 출력 부재, 고 에너지 전기 펄스를 상기 전극들에 인가하여 상기 전극들 사이의 플라즈마를 고온으로 가열하는 아크(arc)를 생성하는 수단으로, 상기 펄스가 인가되는 동안 가열된 플라즈마는 상기 전극들 사이에 보유되며(contained), 상기 전기 펄스가 턴 오프(turned off)되면 가열된 플라즈마가 폭발적으로 방출되어 상기 플라즈마 내에 폭발 압력 펄스(explosive pressure pulse)를 형성하는 전기 펄스를 인가하기 위한 수단, 및 상기 플라즈마를 한정하고 상기 출력 부재를 구동하도록 상기 출력 부재를 향해 상기 압력 펄스를 지향시키기 위해 상기 챔버 내에 자기장을 생성하기 위한 수단을 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 압력 펄스가 상기 출력 부재로 지향되는 개방 단부를 갖는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는 제 1 및 제 2 개방 단부들을 가지며, 상기 압력 펄스는 상기 개방 단부들 각각을 통해 제 1 및 제 2 출력 부재들로 지향되는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 부재는 터빈 휠(turbine wheel)인,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 부재는 피스톤인,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 펄스는 1 밀리초 이하의 폭을 갖고 초당 500 내지 1000 회 인가되는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 펄스를 인가하기 위한 수단은, 펄스 생성기(pulse generator), 절연 변압기(isolation transformer)에 의해 전극들에 연결된 파워 서플라이(power supply) 및 상기 펄스 생성기로부터의 펄스들에 의해 제어되는 스위치(switch)를 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 파워 서플라이는 배터리(battery), 상기 배터리와 전기적으로 병렬로 연결되는 커패시터(capacitor), 및 상기 배터리가 상기 변압기로부터 에너지에 의해 재충전되도록 상기 변압기 및 상기 배터리를 상호연결하는 수단을 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 불연성 가스는 공기인,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  10. 펄스식 플라즈마 엔진으로서,
    개방 단부들 및 일반적으로 원통형 측벽을 갖는 축 방향으로 연장하는 폭발 챔버(explosion chamber), 상기 챔버 내의 한 쌍의 전극들, 상기 챔버에 불연성 가스를 도입하기 위한 수단, 상기 챔버 내에서 플라즈마를 형성하도록 상기 가스를 이온화하기 위한 수단, 고 에너지 전기 펄스를 상기 전극들에 인가하여 상기 전극들 사이의 플라즈마를 고온으로 가열하는 아크를 생성하는 수단으로, 상기 펄스가 인가되는 동안 가열된 플라즈마는 상기 전극들 사이에 보유되며, 상기 전기 펄스가 턴 오프되면 가열된 플라즈마가 폭발적으로 방출되어 상기 플라즈마 내에 폭발 압력 펄스를 형성하는 전기 펄스를 인가하기 위한 수단, 및 상기 플라즈마를 한정하고 상기 압력 펄스를 상기 챔버의 개방 단부들을 향해 지향시키기 위해 상기 챔버 내에서 축 방향으로 연장하는 자기장을 생성하기 위해 상기 전극들의 대향 측들 상에서 상기 챔버에 동축으로 배치된 자석들(magnets)을 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스를 이온화하기 위한 수단은 방사성 이온화기(radio active ionizer)를 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 자석들은 영구 링 자석들(permanent ring magnets)인,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버에 상기 불연성 가스를 도입하기 위한 수단은 상기 챔버와 연통하는 일방향 밸브(one-way valve)를 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버에 상기 불연성 가스를 도입하기 위한 수단은 공기가 상기 챔버 내로 통과할 수있는 공기 갭 및 상기 플라즈마를 제한하고 상기 플라즈마가 상기 공기 갭을 통해 상기 챔버로부터 빠져나가는 것을 방지하는 자기장을 생성하기 위한 수단을 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버의 일 측 상의 상기 측벽을 통한 상기 불연성 가스 개방용 입구 포트(inlet port), 및 상기 챔버의 타측 상의 상기 측벽을 통해 개방되는 구획(compartment) 내에 장착되는 이온화기(ionizer)를 포함하는, 플라즈마를 형성하도록 가스를 이온화하는 수단을 더 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 압력 펄스에 의해 구동되는 상기 챔버의 일 단부에 터빈 휠을 더 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 압력 펄스에 의해 구동되는 상기 챔버의 일 단부에 피스톤을 더 포함하는,
    펄스식 플라즈마 엔진.
  18. 출력 부재(output member)를 구동시키기 위해 엔진을 작동시키는 방법으로서,
    상기 출력 부재와 연통하는 폭발 챔버 내로 불연성 가스를 도입하는 단계,
    상기 챔버 내에서 전기 전도성(electrically conductive) 플라즈마를 형성하기 위해 가스를 이온화하는 단계,
    전극들 사이의 플라즈마를 고온으로 가열하는 아크를 생성하도록 상기 챔버 내의 한쌍의 전극들에 고 에너지 전기 펄스를 인가하는 단계로서, 상기 펄스가 인가되는 동안 열(heat)이 상기 전극들 사이에 보유되는 것인, 단계,
    상기 아크를 끄고(extinguish) 상기 전극들 사이로부터 열을 폭발적으로 방출하여 상기 플라즈마에서 폭발성 압력 펄스를 발생시키기 위해 상기 펄스를 턴 오프하는 단계, 및
    상기 플라즈마를 상기 챔버 내에 자기적으로 한정하고 상기 출력 부재를 향해 상기 압력 펄스를 지향시키는 단계를 포함하는,
    출력 부재를 구동시키기 위해 엔진을 작동시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 불연성 가스는 공기인,
    출력 부재를 구동시키기 위해 엔진을 작동시키는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 전기 펄스는 1 밀리 초 이하의 폭을 가지며 초당 500 내지 1000 회 적용되는,
    출력 부재를 구동시키기 위해 엔진을 작동시키는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 전기 펄스는 절연 변압기 및 펄스 생성기로부터의 펄스에 의해 제어되는 스위치를 통해 파워 서플라이로부터 상기 플라즈마에 인가되는,
    출력 부재를 구동시키기 위해 엔진을 작동시키는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 파워 서플라이는 상기 변압기로부터의 에너지에 의해 재충전되는 배터리를 포함하는,
    출력 부재를 구동시키기 위해 엔진을 작동시키는 방법.
KR1020177002446A 2014-06-25 2014-06-25 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법 KR102327641B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2014/044030 WO2015199671A1 (en) 2014-06-25 2014-06-25 Pulsed plasma engine and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170024055A KR20170024055A (ko) 2017-03-06
KR102327641B1 true KR102327641B1 (ko) 2021-11-16

Family

ID=54938588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177002446A KR102327641B1 (ko) 2014-06-25 2014-06-25 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법

Country Status (12)

Country Link
EP (1) EP3160637A4 (ko)
JP (1) JP6609312B2 (ko)
KR (1) KR102327641B1 (ko)
CN (1) CN106536039B (ko)
AU (1) AU2014398609B2 (ko)
CA (2) CA3150219A1 (ko)
EA (1) EA033381B1 (ko)
MX (1) MX370837B (ko)
NZ (1) NZ728523A (ko)
SG (1) SG11201700574PA (ko)
WO (1) WO2015199671A1 (ko)
ZA (1) ZA201700493B (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110351915A (zh) * 2019-07-24 2019-10-18 李学军 一种加热电解制氢及等离子发生装置
CN112969275A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 西安闪光能源科技有限公司 一种增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3151259A (en) * 1959-08-18 1964-09-29 Gen Electric Plasma accelerator system
US3670494A (en) * 1968-10-31 1972-06-20 Environetics Inc Method and means of converting atomic energy into utilizable kinetic energy
US3680431A (en) * 1968-11-01 1972-08-01 Environetics Inc Method and means for generating explosive forces
US4428193A (en) * 1980-09-04 1984-01-31 Papp International Incorporated Inert gas fuel, fuel preparation apparatus and system for extracting useful work from the fuel
CN1028588C (zh) * 1990-03-23 1995-05-24 四川大学 微波等离子体的产生方法和装置
US7076950B2 (en) * 2003-04-14 2006-07-18 Clean Energy, Inc. Internal explosion engine and generator using non-combustible gases
CN201025126Y (zh) * 2007-03-29 2008-02-20 张发光 二冲程双活塞对立发动机
WO2014031190A2 (en) * 2012-05-10 2014-02-27 Princeton Satellite Systems, Inc. Method to produce high specific impulse and moderate thrust from a fusion-powered rocket engine

Also Published As

Publication number Publication date
ZA201700493B (en) 2018-08-29
KR20170024055A (ko) 2017-03-06
JP6609312B2 (ja) 2019-11-20
EP3160637A1 (en) 2017-05-03
JP2017528653A (ja) 2017-09-28
MX2016017356A (es) 2017-06-21
CN106536039A (zh) 2017-03-22
CN106536039B (zh) 2020-02-14
AU2014398609A1 (en) 2017-02-02
EA033381B1 (ru) 2019-10-31
EA201790065A1 (ru) 2017-06-30
NZ728523A (en) 2020-03-27
EP3160637A4 (en) 2018-02-21
SG11201700574PA (en) 2017-03-30
AU2014398609B2 (en) 2019-12-12
WO2015199671A1 (en) 2015-12-30
MX370837B (es) 2020-01-08
CA2953467A1 (en) 2015-12-30
CA3150219A1 (en) 2015-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9118265B2 (en) Pulsed plasma engine and method
US6553981B1 (en) Dual-mode ignition system utilizing traveling spark ignitor
US6662793B1 (en) Electronic circuits for plasma-generating devices
US3096269A (en) Counterrotating plasma device
KR20050120718A (ko) 불연성 가스를 이용하는 내부 폭발 엔진 및 발전기
US3151259A (en) Plasma accelerator system
KR102327641B1 (ko) 펄스식 플라즈마 엔진 및 방법
US3059149A (en) Plasma accelerator
US6474321B1 (en) Long-life traveling spark ignitor and associated firing circuitry
US6568362B2 (en) Rotating arc spark plug
RU2467463C1 (ru) Импульсный электрогенератор (варианты)
US3241490A (en) Method and device for pumping a gas
Lapushkina et al. Supersonic flow about a body exposed to electric and magnetic fields
US4721891A (en) Axial flow plasma shutter
RU149459U1 (ru) Инжектор плазмы для инициирования заряда взрывчатого вещества (вв)
RU2468495C1 (ru) Взрывной магнитокумулятивный генератор
SU1625257A1 (ru) Импульсный источник ионов
RU2708568C1 (ru) Разрядник для обработки жидкостей и газов
RU150168U1 (ru) Плазменный источник светового излучения на основе магнитоприжатого разряда
SU1415475A1 (ru) Ускоритель ионов
JPS5878392A (ja) ホロ−カソ−ド放電装置
JPS58197688A (ja) 点火装置
RU147711U1 (ru) Устройство для получения тепловой и электрической энергии
SU1633464A1 (ru) Устройство дл получени и удержани высокотемпературной плазмы
RU103240U1 (ru) Электромагнитная свеча зажигания

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant