KR20060111356A

KR20060111356A - 열-유체동역학적 하중증가장치

Info

Publication number: KR20060111356A
Application number: KR1020057003633A
Authority: KR
Inventors: 클라우스 콜스만-프레이버거; 위르겐 클라인바흐터; 에크하르트 베버; 올리비어 파스쿠
Original assignee: 파워플루드 게엠베하
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2006-10-27
Also published as: DE50300228D1; US20050268607A1; CA2497603A1; EP1454051B1; WO2004022962A1; TR200500719T2; BR0314462A; AU2003266179A1; ES2236677T3; NO20051185L; DE10240924B4; JP2005537433A; CN1708638A; DE10240924A1; ATE286204T1; ZA200501785B; EP1454051A1; MXPA05002392A; CN100412346C

Abstract

열역학적 하중증폭장치에 의해 외부의 고온공급원 및 저온공급원을 이용하여 액체작업매체가 삼행정 작업사이클(등적 가열, 재생냉각을 통한 등온 팽창 및 수축 )을 수행한다. 따라서 운동장치(11)에서 보조구동장치(12)에 의해 수행된 일은 변환시스템(18,19)내에서 형성된 일보다 작다.(하중증폭). 외부동력공급원에 의해 구동되고 가역작동하는 기계가 열펌프/냉동기로서 이용된다.

Description

열-유체동역학적 하중증가장치{THERMOHYDRODYNAMIC POWER AMPLIFIER}

기체(gas)와는 비교되듯이, 액체(liquid)는 실제적으로 비압축성이며, 열(heat)에 의해서 덜 팽창하며, 상당히 높은 특정한 열 용량(heat capacity)을 가지고, 개선된 열 교환(heat exchange) 가능성을 제공한다. 이전 세기인 20세기 중반에, 영국의 타인(Tyne)강의 뉴캐슬(Newcastle)의 J.F. Malone은 열 엔진(thermal engine)에서 동작가스(working gas) 대신에 액체를 이용하려고 하였다.

그는 핫 가스(hot gas) 스터링 장치(Stirling machine)와는 유사하지만, 공기(air) 대신에 동작매체(working medium)로서 가압수(pressurized water)로 채워진, 재생 장치(regenerative machine)를 개발하였다(미국특허 제1,487,994호, 1924.3.18.; 미국특허 제1,717,161호, 1929.6.11.).

305K의 온도 차이에서, 이상적인 카르노 사이클(Carnot cycle)의 성능의 상당한 퍼센트인 54%에 상응하는 27%의 효율을 달성할 수 있고, 따라서 현재 증기엔진(steam engine)의 효율에 대략 2배가 되는 것을 증명할 수 있었다.

상기와 같은 우수한 효율의 이유는, 스터링 장치와 같이, 상기 장치는 열 리 제너레이터(heat regenerator)가 구비되어지고, 기체에 비해서 상당히 개선된 열 교환 특성의 액체를 추가적으로 이용한다는 사실의 덕분이다. 상기 Malone의 장치는 도 1에서 개략적으로 도시되어지며, 따라서 도면부호 (1)은 동작 실린더(working cylinder)를 나타내고, 도면부호 (2)는 디스플레이서 실린더(displacer cylinder)를, 도면부호 (3)은 외부(프레임) 열원(heat source, 3a)에 의해서 일정하게 가열되어지는 히터(heater)를, 도면부호 (4)는 냉각기(cooler)를, 그리고 도면부호 (5)는 동작 피스톤(working piston, 6)으로서 탈위상(out of phase)의 90도가 되도록 하기 위하여 핫(hot)으로부터 콜드(cold)로 리제너레이터(regenerator, 2a)를 변위하는 디스플레이서 피스톤에 관한 것이다. 커넥팅 로드(connecting rod, 7a)를 통하여 플라이휠(flywheel, 7)에 연결되어진 작동 피스톤(67)은, 제 2 커넥팅 로드(8a)와 편심기(eccentric, 8)를 통하여 리제너레이터 경로(regenerator path, 2a)로 탈위상(out of phase)의 진동 움직임(oscillating movement)을 전달한다.

도 2는 이상적은 스터링 사이클(Stirling cycle, 10)과 Malone 장치에 의해서 수행되어진 사이클(9) 모두를 도시하고 있는 PV 다이아그램(diagram)이다.

물(water)은 100 bar 보다 큰 매우 높은 압력 레벨로 가압되어질 때 요구되는 작동 온도범위에서는 단지 액체(liquid)로 남아있기 때문에, Malone은 매우 내 압(pressure-resistant)인 실린더를 이용하여야만 했다. 나아가 그는 액체 내에서 열적으로 발생된 압력 변동(pressure fluctuation)을 회전 샤프트 에너지(rotating shaft energy)로 전환하도록 크랭크샤프트(crankshaft)와 작동 피스톤에 의존하여야 했기 때문에, 그는 (핫) 팽창 위상 동안에 작동 피스톤과 크랭크샤프트-플라이휠 시스템을 통하여 유용한 작업이 전달되어지나, 플라이휠 내에 저장된 팽창 작업의 일부에서 발생된 작업은 (콜드) 재압축 위상(recompression phase) 동안 시스템 속으로 보내져야만 하는 작동 사이클에, 종래의 작동 장치와 유사하게, 액체를 제공하였다.

액체는 기체 또는 액체-증기 혼합물과 비교해서 실질적으로 비압축적이기 때문에, 작동 피스톤, 디스플레이서(displace), 크랭크샤프트 그리고 플라이휠은 강성으로 강제된 커플링(rigid forced coupling)의 결과로서 불가피하게 액체 위를 누르게(impress)되며, 매우 높은 압력은 재압축 위상 동안에 더욱 명확하고 불가피하게 된다. 이는 압력 변화(pressure change)로 인하여 매우 높은 하중(load)의 결과가 되며, 그리고 베어링(bearing)과 전체적인 구조체 상으로 무거운 동적 하중을 다시 전달하게 되는 매우 높은 플라이휠 질량(mass)을 필요로 한다.

결과적으로, Malone 장치의 근본적인 장점(상당히 개선된 열 전달 특성, 높은 열용량, 그리고 결과적으로 기체에 비해서 우수한 동력밀도(power density)는, 상기 원리(building principle)로부터 결과되는 수명-제한되는 압력 변동(life- limiting pressure fluctuation)에 의해서 좌절되어진다. 따라서, 상기 장치들은 그 우수한 열역학에도 불구하고 실용적으로는 허용될 수 없게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 신규한 공학적 설계에 열역학적 동작유체(working fluid)로서 이용되어진 액체의, Malone에 의해서 이미 밝혀진 기본적인 장점을 이용하는 것이며, 그러한 방법으로서 상기에서 기술된 부정적인 면들은 더 이상 발생하기 않게 된다.

다음에서 기술되어진 본 발명의 장치는 열 유체역학적 동력 증폭기(thermo-hydrodynamic force amplifier, THFA)로서 작동한다.

도 3의 PV 다이아그램에서, 상기 THFA는 전통적인 열적 엔진(thermal engine)의 사이클로는 기본적으로 다른 사이클(cycle)을 수행한다. 이에 따라, 액체(liquid)는 a 로부터 b 로 등체적(isochorically)으로 가열되어진다. 따라서, 초기압력 P0는 주변압력(또는 약간 상승된 압력)에 상응하게 된다. 요구되는 압력 P1이 액체 내에서 도달되어지면, 셧오프 소재(shut-off element, 17)는 개방되고 액체는 팽창하며, 이의 (수압엔진(hydraulic engine), 압축기 피스톤(compressor piston), 등) 다운스트림(downstream) 장착된 시스템에서 작업(work)이 발생한다. 이러한 팽창은 초기압력 P0이 e에서 다시 얻어질 때까지 발생하며, 체적은 더욱 크 게 되며 온도는 초기상태 a 보다 더 크게된다. 액체가 기계적인 재압축(mechanical recompression)에 의해서 초기상태로 되돌아가게 되는 전통적인 장치와는 대조적으로, THFA는 액체가 수축하게 하는 열 추출(heat abstraction)에 의존하게 된다. 본 발명에 따르면, 이로 인한 더 큰 장점은, 모든 유용한 에너지는 팽창 위상(expansion phase) 동안 b로부터 c로 후퇴되어지기 때문에, 어떠한 기계적 에너지도 어떠한 방법(플라이휠, 공기 챔버(air chamber) 등)으로도 일시적으로 저장되어지지 않는다는 것이다. 이러한 원리는, 본 발명에 따르면, 다음에서 기술되어지는 바와 같이, 액체 상으로 구속력(constraining force)을 발휘하는 크랭크샤프트 메커니즘이 전혀 없이도 사용가능한 것을 추가적으로 제공한다.

만일 리제너레이터(regenerator) 또는 리쿠퍼레이터(recuperator)가 동작위상(working phase) a -> b, 그리고 c -> a 동안 열교환 공정 속에 추가적으로 일체로 되어지고, 만일 액체의 팽창이 등온적(isothermal) 이라면, 꼭지점 a, b, c에 의해서 결정되어지는 동작 공정(working process)은 액체에서의 비가역 손실(irreversible loss) 및 열적 손실(heat loss)을 제외하고는 열역학적으로 이상적으로 된다.

도 4는 수압엔진(hydraulic engine)과 결합된 THFA의 기본적인 구조를 도시하고 있다.

이에 따라 도면부호 (11)은 선형 드라이브(linear drive, 12)에 의해 압력실린더(13) 내에서 위 아래로 움직여지는 디스플레이서 피스톤(displacer piston)을 나타내고 있다. 이는 주기적으로 동작유체(working fluid)가 히터(14), 리제너레이터(15) 그리고 냉각기(16) 경로 상에서 전후로 움직여지도록 한다. 수압밸브는 스위치가능한 셧-오프 소재(shut-off element, 17)로서 작동한다. 사이클의 초기(도 3, 경로 a -> b)에서, 디스플레이서 피스톤이 아랫방향으로 움직일 때 상기 셧-오프 소재는 닫혀지고, 따라서 액체는 시스템의 핫(hot) 쪽으로 전달된다. 요구되는 압력 P1이 PV 다이아그램의 b 지점에서 달성되어지게 될 때, 밸브는 개방되고 액체는 고압에서 팽창하고, 플라이휠(19)이 결합된 수압엔진(18)은 작업을 발생하게 된다. 다음으로 팽창된 액체는 컬렉터 탱크(collector tank, 20) 내에서 수집되어진다. 체크밸브(check valve, 21)를 가지는 순환라인(circulation line)은 수압엔진이 작동상태에 있는 동안에는, 수압엔진을 통하여 컬렉터 탱크로부터 유체의 일정한 순환을 보장한다. 액체의 일 발생 팽창(work-producing expansion) (도 3, PV 다이아그램 c 지점)이 완료되어질 때, 밸브(17)는 닫히도록 되어지며, 디스펜서(11)는 위로 움직이고, 유체는 시스템의 콜드(cold) 쪽으로 이동한다(도 3, 경로 c -> a). 냉각되어지는 유체는 사이클의 초기지점 a를 향하여 수축되어지고, 이에 따라서 도관(conduit, 22)과 체크밸브(23)를 경유하여 콜렉터 탱크(20)로부터 액체를 끌어당긴다.

핫(hot) 및 콜드(cold) 유체가 리제너레이터(15)를 통하여 교번적인 방향 (alternating direction)으로 흐르게 되기 때문에, 리제너레이터는 거의 엔트로피(entropy)의 손실없이 열을 임시적으로 저장하며 (열(heat)과 냉각(cold)은 선형 온도 프로파일을 따라서 재생되어지기 때문에), 정확한 시간이 발생되어지는 상기 경과(event)를 위하여 도달되어질 때 상기 열은 유체로 회수되어진다.

디스플레이서(11)의 절절한 진동 주기(oscillation frequency)와 히터 리제너레이터 냉각기 경로를 통한 흐름의 단면의 정확한 크기를 선택할 때, 팽창된 액체에 의해서 발생된 일(work)의 양은 디스플레이서 피스톤에 의해서 발생된 일에 비해서 여러배 증가되어지는 것이 달성된다. 따라서, 그 작동하는 방법으로 인하여, 본 발명의 장치를 열-유체역학적 동력 증폭기(Thermo-Hydrodynamic Force Aamplifier, THFA)라고 부른다.

본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 도 4a, 4b, 4c는 PV 다이아그램 내의 대응되는 선택에 할당되어진 세 개의 동작 스트로크(working stroke)를 다시 한번 더 개략적으로 도시하고 있다. 이에 따라, 는 가압 유체 흐름을 나타내며, ---->는 움직임 없는 가압유체를, ·······>는 저압에서의 유체 움직임을 나타낸다.

도 4a에서, 유체는 등체적적으로 압축되어진다. 선형 드라이브(12)에 의해서 구동되어지는 디스플레이서 피스톤(11)은 아랫방향으로 움직인다. 수압밸브(17)는 닫혀진다. 이동(travel)은 경로 a -> b를 따라서 발생한다. 팽창탱크(20) 내의 유 체의 레벨은 가장 낮게 되어 있다.

도 4b에서, 디스플레이서 피스톤(11)은 하사점(bottom dead center)에 도달된다. 선형 드라이브(12)는 정지되어 있다. 수압밸브(17)는 개방된다. PV 다이아그램에서, 이동(travel)은 경로 b -> c를 따라서 발생한다. 수압엔진(18)은 팽창되는 액체에 의해서 구동되어진다. 팽창탱크(20) 내의 유체 레벨은 증가한다.

도 4c에서, 디스플레이서 피스톤(11)은 선형 드라이브(12)에 의해서 위쪽으로 이동되어진다. 수압밸브(17)는 닫혀진다. 비-가압된 핫(hot) 유체는 리제너레이터(15)와 냉각기(16)를 통해서 초기 온도까지 냉각되어지고, 따라서 수축(contraction)을 하게 된다. 따라서 발생된 음압(negative pressure)은 도관(22)을 통하여 팽창탱크(22)로부터 유체를 당기게 된다. 상기 팽창탱크 내의 유체는 가장 낮은 레벨까지 떨어진다. PV 다이아그램에서, 이동(travel)은 경로 c -> a를 따라서 발생한다. 이러한 지점에서, 사이클의 초기 상태 a는 다시 한번 더 도달되어진다.

상기에서 기술된 THFA 장치의 세가지 사이클의 기본 작동원리는 다양한 방법으로 변화되어질 수도 있다. 본 발명에 따르면, 하나의 가능성은 수압밸브(17) 대신에 수압엔진(hydraulic engine, 18)에 의해서 세워진 압력을 이용하는 것으로 구성된다. 상기 세워진 압력은, 수압 엔진(18)의 흡수체적(absorption volume)은 PV 다이아그램에서 경로 a -> b 상에서 가열되어지는 유체의 해서 발생되는 유체의 체적흐름에 비해서 더욱 작게 선택되어진다는 사실 덕분이다. 도 5는 상기 THFA 공정으로부터 기인하는 PV 다이아그램을 도시한다. 본 발명에 따르면, 유체가 압력 상태 P0에 있을 때 공정은 재-출발되어진다. 콜드(cold)로부터 핫(hot)으로 이동되어지는 유체의 결과로서 팽창하는 매체(medium)는 수압엔진(17)을 통하여 흐르고, 압력은 P'1에서서 위치 b에 디스플레이서 피스톤(11)이 하사점에 도달하게 될 때까지 증가한다. 다음으로, 다스플레이서 피스톤이 유지되어지면서, 유체는 재생적인 냉각(regenerative cooling)에 의해서 c -> a로 수축되어지기 전에, P0에서 위치 c로 팽창하게 된다. 수압밸브(17)은 사이클 부분 a -> b -> c 과정동안 닫혀지며, c -> b로부터 개방되어진다.

비록 THFA의 변형은 각각의 사이클에서 덜 효율적이지만, 특히 부드럽고(smooth), 연속적인 흐름을 특징으로 하며, 감소된 최대압력의 결과로서 압력에 대하여 더 작은 저항을 필요로 한다.

다른 장점적인 설계의 가능성은 수압밸브(17)와 수압엔진의 셧-오프(shut-off) 특성의 결합으로 구성되어진다. 도 6은 상기 THFA 변형의 인디게이터(indicator) 다이아그램을 도시한다. 초기에는 압력 P0에 있는 유체는, 중간압력 P1으로 등체적적으로 압축되어진다 (밸브(17)은 닫혀진다). b로부터 b'으로, 유체는 수압엔진(18)을 통하여 등압적으로 팽창한다 (밸브(18)은 개방되어진다). 디스 플레이서 피스톤(11)이 하사점에 도달되어진 이후에, 유체는 b'으로부터 c로 팽창한다(밸브(18)은 개방되어진다). 다음으로, 밸브(18)가 닫혀지게 되는 가역 열추출(reversible heat abstraction)을 통하여 유체는 c로부터 초기상태로 다시 수축되어지게 된다. 상기 THFA의 변형은 우수한 사이클 성능을 달성하며, 기본적인 변형과 비교하여 감소된 최대 압력의 결과로서 압력 실린더(pressure cylinder)를 절약한다.

본 발명의 THFA의 다른 장점적인 설계는 그 각각의 기능에서 동작 사이클 부분이 요구되어질 때만 히터(14)와 냉각기(16)를 유체순환(fluid circuit) 속으로 일체화시키는 가능성에 있다. 한편으로는, 이는 유체 무용부피(fluid dead volume)의 부정적인 효과를 최소로 하며, 다른 한편으로는 유동저항(flow resistance)을 통한 작은 다이나믹(dynamic)과 최적인 열전달 특성에 관하여 사이클 상으로 부정적인 효과없이 히터와 냉각기의 단면적을 통한 유동의 설계를 가능하게 한다. 도 7은 PV 다이아그램에서 셧-오프(shut-off) 밸브와 그 타이밍(timing)을 가진 상응하는 필요한 바이패스 라인(bypass line)을 도시하고 있다.

유체의 가열 과정동안을 의미하는, 디스플레이서 피스톤에 의한 a -> b의 유체의 이동과정 동안, 열이 냉각기(16)에 의해서 추출되어지는 것은 바람직하지 않다. 밸브(24a,24b)가 닫혀지게 함에 의해서, 유체는 리제너레이터(15)와 히터(14)를 통해서 유동되어지기 전에 바이패스(24c) 내에서 냉각기 둘레어서 운반되어진 다. b -> c로 차후의 팽창과정 동안, 냉각(cooling)은 바람직하지 않다 (24a, 24b는 여전히 닫혀져 있으며, 유체는 24c를 통하여 유동한다).

히터(14)에 의한 차후의 가열은 b -> c에서 수행되기를 원하는 등온 팽차으로 인하여 요구되어진다. a -> b -> c에서 유체는 바이패스(bypass, 24c)를 통하여 유동하며, 이는 PV 다이아그램에서 표시되어진다. 다음으로 유체가 c -> a로 가역적으로 냉각되어지고 이로 인한 결과로서 수축(contracting)될 때, 비록 히터(14)의 작동은 요구되지 않지만 냉각기(16)의 작동만은 요구되어진다. 따라서, 히터는 두개의 밸브(25a,25b)에 의해서 셧-오프되어지고, 유체는 리제너레이터(15)와 냉각기(16)을 통하여 직접적으로 안내되어진다(밸브 24a,24b는 다시 개방되어진다). 셧-오프 밸브(shut-off valve) (24a,24b)와 (25a,25b)가 각각 개방되어질 때 유체가 냉각기(16)와 히터(14)를 통하여 유동하도록 하기 위하여, 바이패스 라인(24c,25c)는 체크밸브(24d,25d)와 맞추어진다.

상기에서와 같이, THFA 장치는 회전 디-커플링(rotation decoupling)이 수압엔진에 의해서 수행되어지는 것으로 기술되어진다. 동작 유체(working fluid)의 팽창과정 동안 사이클 에너지는 일정하게 감소되어지기 때문에, 상기 불안정한 성능에 순응"(conform)" 할 필요가 있다. 회전장치(rotating machine)로서, 이는 적절한 플라이휠(19)을 이용하여 가장 잘 수행되어진다.

팽창단계동안만 일측면상에서 에너지가 외부로 분배되고 타측면상에서 THFA 기계의 작동 주파수가 효율성으로 인해 가능한한 낮아진다는 사실로 인해 플라이휠은 팽창하는동안 불안정한 에너지 공급으로 순응할뿐만 아니라 기계가 어떤 에너지도 방출하지 않는동안 상당히 긴시간동안 연결되어야 한다.

따라서, 본 발명에 따른 다른 설계의 THFA 기계는 사이클의 결과 오버랩이 부드러운 구동 토크를 발생하는 방법으로 다양한 실린더의 선형 드라이브(12) 시기를 정하고 다중실린더 기계(실린더의 수 n 2≥)로 이를 보완하게된다. 이것은 실질적으로 플라이휠의 크기를 더 작게한다.

본 발명에 따라, 액체의 팽창 및 수축 칼럼의 단순한 해석 운동은 통상 다음과 같은 구동 부시스템을 위해 사용되기 위한 것이다.: 공기 콤프레서, 열 펌프 냉장고, -콤프레서, 역 오스모시스 시스템 및 이와 유사한 것.

도 8은 선형 힘 해제 및 선형 컨포메이터를 가진 본 발명의 상기 THFA 기계를 도시한다.

이 경우 부시스템이 고체 작업 피스톤(상술한 "액체" 작업 피스톤 대신에)을 요하기 때문에, 보 발명의 주제의 다양한 바람직한 실행은 압력 실린더(13)내의 작업 피스톤과 내부에서 왕복하는 변위자 피스톤(11)을 결합함으로써 달성된다.

이와같은 구조에서, 작업 피스톤 아래의 공기 쿠션(27)은 팽창탱크가 필요없도록 한다.(도 3, 26)

이와같은 경우, 힘이 전개되는 동안 작업피스톤은 팽창단계가 전환가능한 차단요소(29)로 보유되고 이와같은 경우 의도하는 최대 압력(PV 표시 다이어그램에서 지점 b)이 달성될때까지 피스톤 로드주위의 그립을 형성하는 슈 브레이크로 형성된다. 그후 상기 힘은 평행사변형으로 형성되는 힘 컨포메이터(30)로부터 해제된다.

네 개의 코너에서 평행사변형은 분리된 운동(30, 31)하에서 영구적으로 변하도록 형성되는 로터리 조인트와 결합된다.

선형힘으로 구동되는 의도하는 부 시스템의피스톤로드가 작업 피스톤으로 주어진 축에 직각인 경사축과 코너지점에서 연결되면, 고립열팽창으로 인해 b-c로 점근선 곡선을 가지는 THFA의 작업 피스톤의 역학적 효과로 순응되어 전체 작업 행정에 걸쳐 균등하게 된다는 것을 의미한다.

THFA가 오직 기계적인 작업만을 외부에 팽창기간동안 분배함으로써 부시스템의 작업 피스톤은 컨포메이터에 의해서만 변위되고 분리지점(33a)에서 느슨하게 안착되는(압력없는 연결)팽창기간동안 피스톤 로드(33)를 통해 고착연결된다.

본 발명에 따른 상기 형태의 THFA의 구성은 도 5 및 6에 도시된 사이클의 변형으로 작동될 수 있고 도 7에 도시된 "바이패스" 배치를 사용하여 최적화될 수 있다.

THFA가 역전가능한 열역학적 기계를 사용하기 때문에, 본 발명의 특히 바람직한 변형예는 냉장고 열 펌프를 사용함으로써 구성된다.

도 9a, 9b, 9c는 구동하는 THFA 기계와 구동된 THFA 냉장고 열 펌프의 세가지 각각의 작업 상태동안 상응하는 작업 단계를 가진 상기 THFA 기계를 도시한다.

구동하는 THFA기계는 이에따라 원칙적으로 도 8에 도시되고 상술한 것과 동일한 구조를 가진다. 구동된 냉장고 열 펌프의 작업 피스톤(26a)은 상술한 압력없 는 연결(33a)을 통해 컨포메이터 메카니즘(30)을 통해 구동하는 기계를 가진 상태외로 실린더(13a)로 주기적으로 가압된다. 본 발명에 따라 냉장고는 원칙적으로 작업기계와 동일한 요소를 가지게 되어 동일한 참조번호를 가진다.(14a=히터, 15a=축열기, 16a=쿨러, 11a=변위기, 12a=변위기 피스톤의 선형 드라이브, 29a= 전환가능한 차단요소)

우측의 상부 PV-다이어그램에서, 도 9a는 THFA 작업기계(실선)과 THFA 냉장고(점선)의 위상 오프셋 작업 사이클을 도시한다. 이들의 좌측면에서는 도 9a-9c가 작업 기계와 냉장고의 각각의 상응하는 작업 행정만을 도시한다. 상기 도면을은 이하에서 위치, 운동방향 또는 작업 피스톤과 두 기계의 변위기 피스톤(26, 26a, 11, 11a)의 정지 및 전호나가능한 차단 요소(29, 29a)의 상태에 관한 몇 가지 정보를 나타낸다. 전환가능한 차단요소를 위해서는 닫힌 상태는 0, 열린상태는 1로 나타난다. 또한 컨포메이터(30)의 위치와 압력 없는 연결(33a)의 작업피스톤 포드의 위치는 작업 기계가 구동하는 냉장고인지 아닌지를 나타낸다. 유체와 피스톤의 운동방향은 화살표로 나타난다.

다음은 세 작업 상태동안 발생한다.

도 9a,

작업기계 유체는 a에서 b로 기간고립적으로 가열된다. 변위기(11)는 고정된 작업 피스톤(26)을 향하여 움직인다.

냉장고,

유체는 a에서 c로 변위기를 변위시킴으로써 압력 고립적으로 냉각된다. 작업 피스톤(26a)는 고정된다. 압력없는 연결(33a)은 해제된다.

도 9b, 작업기계,

유체는 열고립적으로 b에서 c로 팽창된다. 작업 피스톤(26)과 변위기 피스톤(11)은 하방으로 함께 움직인다. 압력없는 연결(30)이 결합되고 차단 요소(29)가 열린다.

냉장고,

작업 피스톤(26a)은 유체를 압축한다. 변위기 피스톤은 상사중심에서 고정된다. 차단요소(29a)는 열린다.

도 9c 작업기계,

유체는 c에서 a로 축열 냉각으로 수축한다. 작업 피스톤과 변위기 피스톤(26, 11)은 평행하게 상부로 움직인다. 차단요소(29)는 열린다. 압력없는 연결(30)이 해제된다.

냉장고,

작업 피스톤(26a)은 하사중심에서 차단요소(29a)에 의해 고정된다. 변위기 피스톤은 b에서 a로 유체를 변위한다.(시간고립 냉각)

따라서, 냉장고 열펌프는 대기열을 쿨러(16a)를 통해 흡수하고 이를 열고립적으로 압축하고 다시 히터(14a)를 통하여 열을 방출한다. 원칙적으로, 수행된 세 행정사이클은 본 발명에 따라 서술된 작업 기계의 사이클과 유사하나 역으로 수행되고 더 낮은 온도레벨에서 작동한다.

역전가능한 능률 사이클외에 모든 열교환 절차가 액체로부터 액체로 발생할 수 있다는 것이 특히 바람직하다. 통상의 냉장고의 두 위상 혼합물로 수축됨에 따라 더 경제적이고 효과적인 냉각기/히터 열 교환기각 제공된다.

본 발명에 따르면, 도 7에 도시된 배치와 유사한 바이패스 회로(24c, 25c)가 역시 냉장고에서 이용될 수 있어, 냉각된 유체는 유극 부피 효과없이 상응하는 냉각체를 통해 직접 흐를수 있다.

구동하는 THFA기계와 구동된 THFA 냉장고가 다른 온도레벨에서 작동하기 때문에 압력이 매치될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이것은 냉장고 실린더(13a)에 대한 작업 기계 실린더(13)의 상응하는 부피비로 달성될 수 있거나 컨포메이터(30)와 냉장고사이의 단계 작업 피스톤에 의해 압력을 감소시킴으로써 달성될 수 있다.

THFA 냉장고 열 펌프의 본 발명에 따른 다른 수행은 THFA기계의 특정 사이클에 적용되는 자극원리(stirling principle)에 따라 공지된 vuilleumier 냉장고 열 펌프의 기본 원리를 사용한다. 이에따른 변형은 도 10에 개략적으로 도시된다.

열적으로 잘 고립되고 압력에 저항하는 벽(34)에 의해 두 작업공간으로 나누어지는 공통의 실린더에서 (1=뜨거운 실린더; 2= 차가운 실린더), 열 축열기 쿨러 통로와 연결된 한 선형으로 구동왼 변위기 피스톤은 상기 두 작업 공간중 각 하나에 위치한다.

뜨거운 실린더와 관련된 요소는 인덱스 a로 나타나고 상기 차가운 실린더와 관련된 것은 인덱스b로 나타난다. 시간 제어된 밸브(35)덕분에 실린더 Ⅰ로부터의 유체와 Ⅱ로부터의 유체는 의도하는 시간에 도달할 때 합쳐지게 된다.

작동초기에 두 실린더의 반면(halves)은 동일한 압력(바람직하게는 1바아)에 서 동일한 유체로 채워진다. 상기 변위기 드라이브(12a, 12b)는 변위기 피스톤(11a, 11b)이 90도의 위상 오프셋으로 움직이도록 한다.

뜨거운 실린더 Ⅰ에서, 유체는 14a를 사용하여 가열함으로써 고압하에 시간고립적으로 놓여지고, 한번 상기 압력이 달성되면 밸브(35)는 열려지고 실린더 Ⅰ로부터 가압된 유체가 실린더 Ⅱ에서 압유체를 가압하여 이에따라 열이 발생한다. 한번, 압력이 보상되면 변위기 피스톤(11a)이 뜨거운 실린더내에서 상부로 이동하고 이에따라, 차가운 실린더 내의 변위기 피스톤이 하방으로 움직인다.

실린더 Ⅰ과 실린더 Ⅱ의 각 열함유량은 이어지는 사이클부분을 위해 일시적으로저장된 축열기(15a, 15b)로 축열적으로 전달된다. 제 3 작업 행정에서, 11a와 11b는 동시에 상부로 움직인다.

원칙적으로, 본 발명의 변형예에서, 실린더 Ⅰ은 축열 압력 맥동장치로 작용하고, 반면, 실린더 Ⅱ는 냉장고 열펌프로써 실린더 Ⅰ내의 우측으로 수행되는 THFA 맥동장치의 사이클을 좌측으로 수행한다.

이에따라 열은 저온(냉장고)에서 14b를 통하여 의도하는 부피로 수축되고 평균온도레벨(열펌프)에서 16c에 의해 다시 방출된다. 만약 열펌프 또는 결합된 유닛(동시에 냉각과 가열을 일으키는)으로 작동되면 일련의 16c와 16a를 사용하는 열 흐름과 연결되는 것이 바람직하다.

원칙적으로, 상술한 빌르미어(vuilleumier) THFA 냉장고 열 펌프는 역시 밸브(35)없이 작동될 수 있다. 본 발명에 따라, 밸브(35)는 이 경우 벽(340내의 역구 작은 관통홀로 대체된다. 이 경우 변위기(11a, 11b)는 90도의 위상 분기로 비연속 적으로 움직이지 않고 90°의 위상 분기로 연속적으로 움직인다. 그러나, 본 발명의 이와같이 단순화된 사이클은 감소된 유용한 압력 변화로 인해 더 낮은 파워밀도를 가진다. 원칙적으로, 이것은 과비례적으로 증가하는 유압 손실로 인해 더 낮은 능률을 내포하는 증가된 작업 주파수로 보상될 수 있다.

이는 가능한 작업유체의 넓게 선택할 수 있도록 한다. 주요 선택 판단기준은: 온도와 사이클 안정성, 강한 열 부피 팽창, 낮은 압축성, 고열 용량, C_v보다 상당히 큰 C_p , 높은 끓는점, 낮은 용융점, 생태학적 호환성 및 비용이다.

상술한 멜론에의해 사용된 물은 많은 장점을 가지지만, 전체 작업 사이클동안 액체를 유지하기 위하여 >100바의 압력으로 미리 가압되어야하는 기본적인 결점을 가진다.

이것은 원칙적으로 상숭한 THFA 기계를 사용하여 실현가능하지만 상기 미리 가압되어 채워지는 공기 챔버 및 팽창 탱크를 위해 제공된 필요가 있도록 한다.

따라서, 실제 종래기술에서, 대기압에 대해 작업하기 위해 합성오일이 특히 바람직하며, 점성, 열저항, 압축성 및 다른 주요 매개변수가 THFA의 열역학에 적용되도록 만들어질 수 있다. THFA 기계가 역시 100°C에서 400°C의 평균 온도범위에서 좋은 능률로 작동하고 유체의 가열( 및 냉각(이 특히 쉽게 달성되기 때문에 다음의 파워자원이 특히 THFA를 작동시키는데 흥미를 끈다.: 열 수집기를 통한 야간 작동을 포함하는 태양 에너지, 모든 생물학적 연료, 관련 열범위내의 폐열.

THFA 기계 및 결합된 THFA 냉장고 열 펌프는 특히 빌딩의 강체 열 연결, 태 양에너지 또는 행물체로 탈중심 파워공급 및 폐열을 전기에너지로 변환(산업적)하는데 적절하다.

신규한 사이클은 경제적인 시스템을 쉽고 간편하게 구축할 수 있도록 한다. 유체의 높은 파워밀도 덕분에 1Hz 미만의 작업 주파수가 시스템의 공명 중량(정지 사용)에서 진행될 수 있고, 이것은 변위기 피스톤의 구동파워를 최소화할뿐만 아니라 시스템을 수명도 증가시킨다.

Claims

가열기-발전기- 냉각기 배열 또는 가열기-회복장치-냉각기를 통해 보조실린더에 의해 액체가 강성 실린더내에서 고온상태로부터 저온상태로 이동하고, 액체를 주기적으로 가열하여 팽창 및 수축시키는 칼럼에 의해 액체이동에 의해 형성된 동적하중이 보조실린더의 구동력보다 큰 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항에 있어서, 액체의 열팽창에 의해 방출되는 에너지가 적합한 장치에 의해 유용한 기계적 일로 변환되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항 및 제 2 항에 있어서, 열팽창하는 액체가 주기적으로 유체기계로 유동하고 유체기계의 축에서 회전에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항 및 제 3 항에 있어서, 대기압 또는 경미하게 상승된 압력까지 가압되는 팽창탱크가 유체기계의 하류위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 4항에 있어서, 액체의 팽창칼럼에 의해 발생되는 압력이 스위칭기능의 차단요소에 의해 시간 및 크기에 관해 조정되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 5항에 있어서, 유체기계의 흡수체적에 대한 팽창액체의 체적유량의 비율 또는 제 5항의 차단요소를 이용한 상기 효과의 조합에 의해 목표유체압력이 형성되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 6항에 있어서, 팽창작용시 유체가 일을 발생하고, 상기 유체가 대기압 또는 경미하게 상승된 압력까지 팽창하며 가역 냉각과정을 이용하여 수축에 의해 형성되는 초기상태로 귀환하는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 7항에 있어서, 팽창 및 수축과정을 겪는 액체가 동시에 유체기계의 액체인 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 6항에 있어서, 일 및 액체를 위해 서로 다른 매체들이 이용되고, 상기 매체들이 탄성요소에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 9항에 있어서, 작업액체의 이동시 발생되는 유체동역학적 마찰을 최소화하기 위하여 가열기, 재생-회복장치 및 냉각기를 유동하는 액체의 유동단면이 작업액체의 온도-점성거동에 일치되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 10항에 있어서, 공기를 압축하고 역삼투시스템내에서 압력을 발생시키며 냉각압축기를 작동시키기도록 적합한 압력적응기를 제공하여 회전에너지로 변화시키지 않고 액체의 팽창칼럼에 의해 발생된 진동 선형하중을 직접 선형운동에너지변환기에 연결시키는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 11항에 있어서, 압력적응기 및 무압력 선형연결기를 가진 장치가 외부동력원에 의해 작동되고 냉동기 히트펌프로서 작동하는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 12항에 있어서, 구동을 위한 동력원이 열-유체동역학적 하중증가장치의 구동기계로 구성되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 10항에 있어서, 냉동기 히트펌프가 단일 실린더배열장치에 의해 구성되고, 상기 배열장치내에서 실린더의 고온부분내에서 작동하는 열-유체동역 학적 하중증가장치가 압력맥동장치로서 이용되고, 실린더의 저온부분내에서 위상차를 가지고 작동하며 사이클을 가역작동하는 제 2 열-유체동역학적 하중증가장치가 냉동기 히트펌프로서 이용되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 1항내지 제 10항에 있어서, 시간에 관해 서로 위상차를 가지고 구동되는 복수개의 실린더들이 동력공급을 매끄럽게 형성하는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
제 15항에 있어서, 다수의 실린더들이 배열될 때 실린더들사이에 배열된 가역유동 열교환기들에 의해 재생기가 교체되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
운동 피스톤에 의해 열재생기를 통해 작업실린더내에 포함된 액체가 고온 및 저온공급원사이에 주기적으로 배열되고, 가열과정동안 증가되는 팽창체적유동이 하류위치에 연결된 유체기계에 의해 기계적 회전에너지로 전환되며, 유체의 일이 엔진에 전달된 후 액체는 재생기내에서 다시 냉각재생되고 작업실린더내부로 귀환하도록 유체의 체적이 감소되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
작업실린더내에 포함된 액체가 고온 및 저온공급원사이에서 왕복운동하는 재생기에 의해 관통되며, 가열과정동안 압력을 받으며 증가되는 팽창체적유동이 하류 에 연결된 유체기계에 의해 기계적 회전에너지로 변환되고, 유체의 일이 엔진에 전달된 후 액체는 재생기내에서 다시 냉각재생되고 작업실린더내부로 귀환하도록 유체의 체적이 감소되는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.
액체가 사이클내에서 재생가열되고 다시 냉각되어, 가열작용에 의해 발생되는 팽창압력 체적유동이 작업기계내에서 기계적 일을 수행하며 연속적인 냉각작용동안 발생하는 체적수축에 의해 액체가 주기적인 열역학적 과정의 초기위치로 귀환하는 것을 특징으로 하는 열-유체동역학적 하중증가장치.