KR20040018424A - 가스 팽창 부재로 이루어진 어셈블리 및 상기 어셈블리의작동 방법 - Google Patents

가스 팽창 부재로 이루어진 어셈블리 및 상기 어셈블리의작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 장치, 특히 온수 모터용 가스 팽창 부재로 이루어진 어셈블리에 관한 것이다. 상기 어셈블리는 2개의 폐쇄된 압축 용기(9, 10)를 포함하며, 상기 압축 용기는 가스 또는 가스 혼합물로 충진되어 있고, 상기 변환 장치와 작용적으로 연결되어 있으며, 온수 및 냉수를 위한 상부 분사 개구(7, 8)를 포함한다. 적어도 하나의 제어 가능한 밸브(12, 13)를 구비한 단락 파이프(11)가 가스 또는 가스 혼합물의 운동 수행 후에 압축 용기(9, 10) 사이의 압력 보상을 위해서 상기 2개 압축 용기(9, 10) 사이에 제공된다.

Description

가스 팽창 부재로 이루어진 어셈블리 및 상기 어셈블리의 작동 방법 {ASSEMBLY OF GAS EXPANSION ELEMENTS AND A METHOD FOR OPERATING SAID ASSEMBLY}
미국 공개 특허 출원서 제 4 283 915호에는 열 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 어셈블리가 공지되어 있고, 상기 어셈블리는 온수 공급부 및 냉수 공급부를 각각 하나씩 포함하며, 이 경우 온수와 냉수 사이에는 소정의 온도차가 존재한다. 작동 유체를 팽창 및 수축시키기 위해, 온수 및 냉수가 교대로 열교환기 파이프를 통과한다. 운동 사이클은 작동 유체의 비등점 위에서 실시된다. 체크 밸브에 의해서 어셈블리를 작동시키기 위한 상대적으로 높은 압력이 보장된다. 이 경우에는 열교환기의 사용이 단점으로 나타나는데, 그 이유는 기술적인 비용이 큰 경우에는 상기와 같은 파이프 열교환기가 상당히 제한된 효율만을 갖게 되고, 상기 열교환기를 관류 및 순환하는 매체의 성질에 따라 상대적으로 장애를 일으킬 수 있기 때문이다.
그밖에 독일 특허 제 197 19 190호는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 어셈블리를 공개하고 있으며, 상기 어셈블리는 터보 엔진을 구동시키기 위한 작동 유체를 갖는 운동 순환계 그리고 차가운 매체 및 뜨거운 매체가 교대로 관류하는 다수의 열교환기로 이루어진다. 열교환기 내에는 매체의 온도에 따라 팽창 및 수축하는 팽창 부재가 각각 하나씩 배치되어 있으며, 상기 팽창 부재의 열에 의한 팽창 및 수축은 버퍼-메모리를 통해 운동-순환계에 제공된다. 파워를 저장하기 위해 각각의 열교환기에는 스프링으로 형성된 버퍼-메모리가 할당되어 있으며, 이 경우 각각의 스프링은 압축 실린더의 피스톤과 연결되어 있고, 상기 피스톤의 운동 공간은 각각 흡입 파이프 및 압축 파이프를 제어할 수 있는 밸브를 통해 운동-오일 순환계와 연결되어 있으며, 상기 순환계는 제너레이터를 구비한 터빈을 구동시킨다. 상기 어셈블리는 특히 스프링으로 구현된 버퍼-메모리로 인해 상대적으로 복잡한 구성을 가지며, 전술한 열교환기의 단점들을 갖는다.
공개 공보 제 00/53898호에는 또한 열 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 어셈블리, 특히 온수 모터용 가스 팽창 부재가 공지되어 있으며, 상기 어셈블리는 가스 또는 가스 혼합물로 충진된 폐쇄된 압축 용기로 이루어지고, 상기 압축 용기는 이동 가능한 피스톤을 통해 상기 어셈블리와 작용적으로 연결되어 있다. 상기 압축 용기는 고온수 및 냉수를 위한 상부 분사 개구 및 하부 배수 개구를 포함한다. 온수 모터는 각각 액체 피스톤 펌프가 할당된 2개 그룹의 압축 용기를 포함하고, 상기 액체 피스톤 펌프는 워터 터빈의 운동 순환계를 작동시킨다. 제 1 순환 프로세스 동안 제 1 압축 용기 내에는 팽창하는 뜨거운 가스 또는 가스 혼합물이 존재하고, 제 2 압축 용기는 수축하는 차가운 가스 또는 가스 혼합물을 포함한다. 후속하는 제 2 순환 프로세스 동안에는 제 1 압축 용기의 가스 또는 가스 혼합물이 냉수의 분사에 의해서 냉각되고 제 2 압축 용기의 가스 또는 가스 혼합물이 고온수의 분사에 의해서 가열됨으로써, 가스 부피가 상응하게 변동된다. 그럼으로써, 예를 들어 여전히 고온수를 함유하는 전체 가스 혼합물은 제 1 압축 용기 내의 온도가 출발 레벨로 돌아갈 때까지 냉수로 세척된다. 이 때 계속해서 존재하던 열 에너지는 상실된다.
본 발명은 열 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 장치, 특히 온수 모터용 가스 팽창 부재로 이루어진 어셈블리 및 상기 어셈블리를 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 어셈블리는 가스 또는 가스 혼합물로 충진된 폐쇄된 2개의 압축 용기를 포함하며, 상기 용기는 상기 변환 장치와 작용적으로 연결되어 있고, 온수 및 냉수를 위한 상부 분사 개구를 포함한다.
가스는 상대적으로 많은 열을 가열 및 팽창에 의해 운동으로 변환시키며, 이 경우 대략 스털링 프로세스(Stirling process)와 같은 신속한 프로세스에서는 흩어지기(dissipation), 바람직하지 않은 피스톤 제어, 열손실 및 전후 이동(shuttle) 손실, 간극 용적(clearance volume) 효과, 큰 축열기 저항 및 높은 속도로 인해 큰 손실이 발생된다.
본 발명은 관련 도면을 인용하는 실시예를 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 어셈블리의 개략도이고,
도 2는 상기 어셈블리의 순환 프로세스를 나타내기 위한 다이아그램이며,
도 3은 상기 어셈블리의 순환 프로세스를 나타내기 위한 압력-시간-다이아그램이다.
본 발명의 과제는, 적은 기술적 비용을 들여 상대적으로 큰 성능에 도달할 수 있는 서문에 언급한 방식의 가스 팽창 부재를 구비한 어셈블리 및 상기 어셈블리를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
장치와 관련된 상기 과제는 본 발명에 따라, 적어도 하나의 제어 가능한 밸브를 구비한 단락 파이프가 가스 및 가스 혼합물의 운동 수행 후에 압축 용기 사이의 압력을 보상하기 위해서 상기 2개 압축 용기 사이에 제공됨으로써 해결된다.
운동 단계의 마지막에는 2개 압축 용기 사이에 압력차가 존재한다. 제 1 압축 용기의 뜨거운 가스 혼합물과 제 2 압축 용기의 차가운 가스 혼합물 사이에 이미 존재하는 압력차로 인해, 제어된 밸브의 개방 후에는 상기 2개 압축 용기 사이에서 압력 보상이 이루어지며, 상기 압력 보상의 경우에는 열 흐름으로 인해서 하나의 압축 용기 내에 계속해서 존재하던 열 에너지가 다른 압축 용기의 가스 혼합물을 가열하기 위해서 보상 온도에 이르기까지 충분히 이용된다. 그와 동시에 압축 용기 내의 가스량은 가스 및 가스 혼합물의 팽창과 더불어 증가하며, 그럼으로써 2개 압축 용기 사이의 압력차가 상승되고 그와 더불어 성능도 상승된다. 밸브는 상응하는 팽창 및 수축에 의한 가스 혼합물의 운동 수행 후에 그리고 그와 연관하여 온수 모터의 이동 가능한 피스톤이 작동된 후에 개방되며, 이 경우 피스톤은 액체 피스톤 펌프로서 형성될 수 있다. 제 1 순환 프로세스에서 가열된 가스 혼합물이 그 다음의 제 2 순환 프로세스에서 냉각되기 때문에, 상기 용기의 가스 혼합물의 온도를 보상 온도 아래로 강하시킬 필요가 있으며, 이 경우 가스 혼합물의 기존의 잔류 열은 냉각된 가스 혼합물을 이제부터 가열시키기 위해서 사용된다. 따라서 상기 잔류 열은 이용되지 않은 상태로 상실되지 않으며, 그런 이유에서 상대적으로 적은 기술적 비용으로도 상대적으로 큰 성능에 도달된다. 잔류 열은 또한, 상기 잔류 열이 재차 제거되어야 하는 장소인 온수 모터의 운동 순환계 내에도 도달하지 않는다. 더 나아가 개별적으로 가열될 압축 챔버 내에는 자체의 팽창에 의해서 마지막으로 온수 모터를 구동시키기 위한 운동을 수행하는 보다 많은 양의 가스 혼합물이 존재하는 동시에, 다른 압축 용기 내에 있는 냉각될 가스 혼합물의 양은 더 적고 출발 압력은 종래의 어셈블리에 비해 더 크게 강하하며, 이로써 상응하는 p-V 다이아그램이 원하는 방향으로 이동하게 된다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라 단락 파이프는 압축 용기의 상부 영역에 배치되어 있다. 플랜지 또는 커버가 있는 압축 용기의 상기 상부 영역에는 온수 및 냉수가 존재하지 않기 때문에, 가스 혼합물은 방해받지 않고 개방된 밸브를 통해 단락 파이프 내부에 도달할 수 있다. 또한 최고의 온도를 갖는 가스 혼합물도 거의 상기 영역에 존재한다.
압축 용기 내에서의 큰 간극 용적을 피하기 위해, 바람직하게는 각각 하나의 제어 가능한 밸브가 단락 파이프 내부에서 해당 압축 용기에 직접 연결되는 영역에 배치되어 있다.
열 손실을 줄이기 위해 바람직하게는 상기 단락 파이프가 밸브에 의해서 단열된다.
방법과 관련된 상기 과제는 본 발명에 따라, 압축 용기 내부로 온수 및 냉수가 교대로 분사되는 청구항 1에 따른 어셈블리를 작동시키기 위한 방법에서, 하나의 압축 용기의 가스 또는 가스 혼합물의 운동이 이전된 후에 제어 가능한 밸브의 개방에 의해서 가스 또는 가스 혼합물이 단락 파이프를 통해 각각 다른 압축 용기 내부로 유도됨으로써 해결된다.
가스 혼합물이 가열 또는 냉각에 의해 이루어지는 자체 팽창 또는 수축으로 인해, 액체 피스톤 펌프로서 형성되고 이동 가능한 온수 모터의 피스톤을 예정된 위치로 보낸 후에는, 단락 파이프 내에 있는 밸브가 2개 압축 용기 사이의 압력을보상하기 위해 개방되고, 뜨거운 가스 혼합물이 주로 수축됨으로써 2개 압축 용기 사이에는 보상 온도가 설정된다. 그럼으로써 본 발명에 따른 방법으로 작동되는 어셈블리의 성능이 현저하게 상승되는데, 그 이유는 하나의 압축 용기의 가스 혼합물의 기존의 잔류 압력 및 기존의 잔류 열 에너지가 압력 상승을 위해서 그리고 다른 압축 용기의 가스 혼합물의 가열을 위해서 이용되기 때문이다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 하나의 압축 용기의 가스 또는 가스 혼합물의 이용 가능한 팽창 운동이 이전된 후에는 상기 가스 또는 가스 혼합물의 일부분이 다른 압축 용기 내부로 유도된다. 가스 혼합물의 경제적으로 중요한 운동 단계가 상기 가스 혼합물의 전체 팽창 지속 시간에 상응하지 않기 때문에, 밸브의 개방에 의해서는 상기 운동 단계, 즉 가스 혼합물의 이용 가능한 팽창 운동이 종료되고, 상기 가스 혼합물의 잔류 에너지는 압력 상승을 위해서 그리고 다른 압축 용기의 가스 혼합물의 가열을 위해서 사용된다.
바람직하게는 단락 파이프의 제어 가능한 2개 밸브가 거의 동시에 개방 및 폐쇄된다. 그럼으로써, 하나의 압축 용기로부터 다른 압축 용기로의 열 흐름을 야기하는 압력 보상이 원하는 바대로 제어될 수 있고, 단락 파이프 내에서의 간극 용적이 최소로 된다.
전술된 및 하기에서 더 설명될 장점들이 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 각각 의도된 조합 형태로 뿐만 아니라 다른 조합 형태로도 사용될 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 어셈블리는 충전 레벨 표시기(2)를 구비한 물 저장 용기(1)를 포함하고, 상기 저장 용기는 파이프(3)를 통해 냉각 장치(4) 및 가열 장치(5)와 연결되어 있다. 상기 냉각 장치(4) 및 가열 장치(5)로부터 각각 하나의 관(6)이 하나의 압축 용기(9, 10)의 제어된 분사 개구(7, 8)까지 이른다. 폐쇄된 상기 압축 용기(9, 10)는 가스 혼합물로 충진된다. 2개 압축 용기(9, 10) 사이에는 단락 파이프(11)가 배치되어 있고, 상기 파이프는 각 압축 용기(9, 10)의 영역에 제어 가능한 밸브(12, 13)를 포함한다. 각 압축 용기(9, 10)의 하단부에는 배출 개구(14, 15)가 제공되어 있고, 상기 개구는 제너레이터를 구비한 터빈(19) 및 온수 모터의 2개 액체 피스톤 펌프(17, 18)를 포함하는 운동 순환계(16)와 연결되어 있다. 또한 라인(20)을 통해 저장 용기(1)와 연결되어 있는 운동 순환계(16) 내에는 펌프(21)가 삽입되어 있다.
상기 어셈블리를 작동시키기 위해 가열 장치(5) 내에서는, 제 1 분사 개구(7)를 통해 제 1 압축 용기(9) 내부에 도달하는 온수가 처리된다. 온수를 제1 압축 용기(9) 내부에 분무하는 경우에는 가스 혼합물이 팽창되어 제 1 액체 피스톤 펌프(17)의 이동 가능한 피스톤(22)을 통해 운동을 수행하며, 상기 운동은 열 에너지의 변환을 위해 운동 순환계(16)를 통해서 터빈(19)에 제공된다. 제 1 압축 용기(9) 내에서 이루어지는 압력 상승 및 제 1 액체 피스톤 펌프(17)의 피스톤 변위 후에 형성되는 압력 강하 후에는, 관련 배출 개구(14)를 통해 배출되는 물이 없어진다. 그와 동시에 냉각 장치(4) 내에서는, 제 2 분사 개구(8)를 통해 제 2 압축 용기(10) 내부에 도달하는 냉수가 처리된다. 냉수를 제 2 압축 용기(10) 내부로 분무하는 경우에는 가스 혼합물이 수축되어 마찬가지로 제 2 액체 피스톤 펌프(18)의 이동 가능한 피스톤(22)을 통해 운동을 수행한다. 가스 혼합물의 이용 가능한 팽창 운동 및 수축 운동의 이전 후에는 단락 파이프(11)의 2개 밸브(12, 3)가 개방되고, 압력 보상으로 인해 온도 보상은 제 1 압축 용기(9)와 제 2 압축 용기(10) 사이에서의 보상 온도까지 야기된다. 그 다음에 제 2 압축 용기(10) 내부로는 온수가 분무되고, 제 1 압축 용기(9) 내부로는 냉수가 분무된다. 2개 압축 용기(9, 10)의 가스 혼합물이 보상 온도에 있음으로써, 개별 가스 혼합물의 불필요한 가열 및 냉각이 필요 없어지고, 그럼으로써 어셈블리는 상대적으로 큰 성능을 갖게 된다.
도 2에 따른 p-V-다이아그램에서는 종래 어셈블리의 순환 프로세스가 본 발명에 따른 어셈블리의 순환 프로세스와 예로서 개략적으로 비교되어 있으며, 이 경우 종래 어셈블리의 압력-온도 곡선은 실선으로 도시되어 있고 본 발명에 따른 어셈블리의 압력-온도 곡선은 파선으로 도시되어 있다. 상기 곡선에 따르면, 종래어셈블리에 의해 수행된 운동(W')은 본 발명에 따른 어셈블리에 의해 수행된 운동(W)보다 작다.
도 3에 따른 압력-시간-다이아그램(p-t)은 처음에는 제 1 압축 용기(9)의 압력(p'max)이 압력(p'min)까지 강하되는 프로세스의 종래 파형을 보여주는데, 상기 다이아그램의 시점(te)에서는 냉수가 분사되고, 가스 혼합물은 시간격(Δta) 내에서 운동을 수행한다. 제 2 압축 용기(10)의 압력은 압력(p'min)으로부터 압력(p'max)으로 상승되며, 이 경우 시점(te)에서는 고온수가 제 2 압축 용기(10) 내부로 분사되고, 가스 혼합물은 시간격(Δta) 내에서 마찬가지로 액체 피스톤 펌프(14)를 구동시키기 위한 운동을 수행한다. 시간격(Δt1) 동안에는 운동이 수행되지 않고, 압축 용기(9, 10) 내의 잔류 압력은 시스템을 위해 상실된다. 단락 파이프(11)에 의해 제 2 압축 용기(10)와 제 1 압축 용기(9)가 결합된 후에, 시점(tk)에서는 밸브(12, 13)가 개방되고, 제 1 압축 용기(9)와 제 2 압축 용기(10) 사이에서는 압력 보상이 이루어진다. 그 다음에 이제부터 팽창될 가스 혼합물을 갖는 제 1 압축 용기(9) 내에는 상대적으로 많은 양의 가스 혼합물이 존재하고, 제 2 압축 용기(10) 내에는 그에 비해 감소된 양의 가스 혼합물이 존재한다. 그와 동시에 압축 용기(9, 10) 내에서는 열 흐름으로 인해 거의 보상 온도가 설정된다. 2개 압축 용기(9, 10)의 단락에 의한 압력 보상 후에는 시점(te)에서 고온수 또는 냉수가 분사되고, 그 다음에 가스 혼합물의 상이한 분배량으로 인해서 상응하는 압축 용기(9, 10) 내의압력(pmax또는 pmin) 및 그와 더불어 종래 프로세스 곡선과 비교한 압력차(Δp)가 얻어진다.

Claims (7)

  1. 열 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 장치, 특히 온수 모터용 가스 팽창 부재로 이루어진 어셈블리로서,
    상기 어셈블리가 가스 또는 가스 혼합물로 충진된 폐쇄된 압축 용기(9, 10)를 포함하며, 상기 압축 용기가 상기 변환 장치와 작용적으로 연결되어 있고, 온수 및 냉수를 위한 상부 분사 개구(7, 8)를 포함하도록 구성된 어셈블리에 있어서,
    적어도 하나의 제어 가능한 밸브(12, 13)를 구비한 단락 파이프(11)가 가스 또는 가스 혼합물의 운동 수행 후에 압축 용기(9, 10) 사이의 압력 보상을 위해서 상기 2개 압축 용기(9, 10) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 파이프(11)가 압축 용기(9, 10)의 상부 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제어 가능한 밸브(12, 13)가 각각 상기 단락 파이프(11) 내부에서 관련 압축 용기(9, 10)에 직접 연결되는 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  4. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단락 파이프(11)가 밸브(12, 13)에 의해 단열되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  5. 상기 압축 용기(9, 10) 내부로 온수 및 냉수가 교대로 분사되는, 제 1 항에 따른 어셈블리를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    하나의 압축 용기(9, 10)의 가스 또는 가스 혼합물의 운동이 이전된 후에는 상기 가스 또는 가스 혼합물이 제어 가능한 밸브(12, 13)의 개방에 의해서 단락 파이프(11)를 통해 각각 다른 압축 용기(9, 10) 내부로 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    하나의 압축 용기(9, 10)의 가스 또는 가스 혼합물의 이용 가능한 팽창 운동이 이전된 후에는 상기 가스 또는 가스 혼합물의 일부분이 다른 압축 용기(9, 10) 내부로 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 단락 파이프(11)의 2개의 제어 가능한 밸브(12, 13)가 거의 동시에 개방 및 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 방법.
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