KR20100041747A - 수증기 증류 장치, 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

유체 증기 증류 장치. 장치는 공급원 유체 입력부 및 증발 응축기를 포함한다. 증발 응축기는 실질적으로 원통형인 하우징 및 하우징 내의 복수의 튜브를 포함한다. 공급원 유체 입력부는 증발 응축기에 유체 연결되고, 증발 응축기는 공급원 유체를 증기로 변환시키고, 압축된 증기를 생성 유체로 변환시킨다. 또한, 공급원 유체 입력부 및 생성 유체 출력부에 유체 연결되는 열교환기가 유체 증기 증류 장치 내에 포함된다. 열교환기는 외부 튜브 및 하나 이상의 내부 튜브를 포함한다. 또한, 증발 응축기에 유체 연결되는 재생 송풍기가 유체 증기 증류 장치 내에 포함된다. 재생 송풍기는 증기를 압축시키고, 압축된 증기는 압축된 증기가 생성 유체로 변환되는 증발 응축기로 유동한다.

Description

수증기 증류 장치, 방법 및 시스템 {WATER VAPOR DISTILLATION APPARATUS, METHOD AND SYSTEM}
본 출원은 2007년 6월 7일자로 출원된 미국 가출원 제60/933,525호에 대한 우선권을 주장하는 본출원이다.
본 발명은 수증기 증류, 특히 수증기 증류 장치, 방법 및 시스템에 관한 것이다.
깨끗한 물의 신뢰할 수 있는 공급원은 대부분의 인류를 비켜가고 있다. 예를 들어, 캐나다 국제 개발국의 보고에 따르면 12억의 인구가 안전한 식수의 이용을 필요로 하고 있다. 발표에 따르면 년당 수백만, 대부분 어린이의 죽음이 물에 관련된 질병에 기인한 것으로 보고되고 있다. 카본 필터, 염소화, 살균 및 역삼투를 포함하는 수많은 정수 기술이 널리 알려져 있다. 이들 기술 중 다수는 수질의 변화에 의해 크게 영향을 받으며, 개발 도상국 등지의 물 공급원에서 발견될 수도 있는 박테리아, 바이러스, 유기물, 비소, 납, 수은 및 살충제와 같은 매우 다양한 일반 오염 물질에 대해서는 초점을 맞추고 있지 않다. 이들 시스템 중 일부는 필터 또는 화학 약품과 같은 소모품의 공급이 필요하다. 게다가, 이들 기술 중 일부는 거대한 인프라 및 고도로 숙련된 조작자 모두를 필요로 하는 집중식의 대규모 용수 시스템에 매우 적합할 뿐이다. 물 공급원에 관계없고, 비집중식 소규모이면서, 소모품 및 일정한 유지 보수가 필요 없는, 신뢰할 만한 깨끗한 물을 생산할 수 있는 능력은 특히 개발 도상국에 있어서 매우 매력적인 것이다.
정수를 위한 증기 압축 증류의 사용이 널리 알려져 있으며, 많은 관심을 끌 가능성이 있다. 그러나, 대부분의 개발 도상국에서 집중식의 대규모 용수 시스템의 건설을 실현 불가능하게 하는 낮은 인구 밀도, 한정된 기술 자산 및 열악한 재정 자원은 증기 압축 증류 시스템을 작동시키기 위한 적절하고 감당 가능하면서 신뢰성도 있는 동력의 제공에 제약이 되고, 이러한 시스템의 적절하게 유지 보수하는 능력에 있어서도 장애가 된다. 이러한 상황에서, 시스템 작동을 위해 필요한 동력 비용 및 요구되는 시스템 유지 보수 양을 감소시키면서 효율 및 생산 능력을 증가시키는 개량된 증기 압축 증류 시스템 및 관련 부품이 해결 방안을 제공할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 유체 증기 증류 장치가 개시된다. 장치는 공급원 유체 입력부 및 증발 응축기를 포함한다. 증발 응축기는 실질적으로 원통형인 하우징 및 하우징 내의 복수의 튜브를 포함한다. 공급원 유체 입력부는 증발 응축기에 유체 연결되고, 증발 응축기는 공급원 유체를 증기로 변환시키고, 압축된 증기를 생성 유체로 변환시킨다. 또한, 공급원 유체 입력부 및 생성 유체 출력부에 유체 연결되는 열교환기가 유체 증기 증류 장치 내에 포함된다. 열교환기는 외부 튜브 및 하나 이상의 내부 튜브를 포함한다. 또한, 증발 응축기에 유체 연결되는 재생 송풍기가 유체 증기 증류 장치 내에 포함된다. 재생 송풍기는 증기를 압축시키고, 압축된 증기는 압축된 증기가 생성 유체로 변환되는 증발 응축기로 유동한다.
본 발명의 이러한 태양의 몇몇 실시예는 열교환기가 증발 응축기의 하우징 주위에 배치되는 구성; 외부 튜브는 공급원 유체 유동 경로이고 하나 이상의 내부 튜브는 생성 유체 유동 경로인 구성; 열교환기가 3개 이상의 내부 튜브를 더 포함하는 구성; 3개 이상의 내부 튜브가 쌍을 이루어, 실질적으로 나선 형상을 형성하는 구성; 열교환기가 2개의 단부를 더 포함하고, 각 단부에는 커넥터가 부착됨으로써, 커넥터가 증발 응축기로의 연결을 형성하는 구성; 증발 응축기의 복수의 튜브는 복수의 튜브 내부에 패킹을 더 포함하는 구성; 패킹이 로드인 구성; 증발 응축기가 복수의 튜브에 유체 연결되는 증기 체스트를 더 포함하는 구성; 재생 송풍기가 마그네틱 구동 커플링에 의해 구동되는 임펠러 조립체를 더 포함하는 구성 중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 수증기 증류 시스템이 개시된다. 수증기 증류 시스템은 공급원 유체 입력부 및 증발 응축기를 포함한다. 증발 응축기는 실질적으로 원통형인 하우징 및 하우징 내의 복수의 튜브를 포함한다. 공급원 유체 입력부는 증발 응축기에 유체 연결되고, 증발 응축기는 공급원 유체를 증기로 변환시키고, 압축된 증기를 생성 유체로 변환시킨다. 또한, 공급원 유체 입력부 및 생성 유체 출력부에 유체 연결되는 열교환기가 수증기 증류 장치 내에 포함된다. 열교환기는 외부 튜브 및 하나 이상의 내부 튜브를 포함한다. 또한, 증발 응축기에 유체 연결되는 재생 송풍기가 수증기 증류 장치 내에 포함된다. 재생 송풍기는 증기를 압축시키고, 압축된 증기는 압축된 증기가 생성 유체로 변환되는 증발 응축기로 유동한다.
또한, 수증기 증류 시스템은 수증기 증류 장치에 전기적으로 연결되는 스털링 엔진을 포함한다. 스털링 엔진은 수증기 증류 장치에 적어도 부분적으로 동력을 제공한다.
이러한 본 발명의 태양의 몇몇 실시예는 스털링 엔진이 하나 이상의 로킹 드라이브 기구를 포함하고, 로킹 드라이브 기구가 로커 피봇을 구비한 로킹 비임, 하나 이상의 실린더 및 하나 이상의 피스톤을 포함하는 구성을 포함한다. 피스톤은 개별 실린더 내부에 수용된다. 피스톤은 개별 실린더 내부에서 실질적으로 선형 왕복 운동을 행할 수 있다. 또한, 구동 기구는 기단부와 말단부를 구비하는 하나 이상의 커플링 조립체를 포함한다. 기단부가 피스톤에 연결되고 말단부가 단부 피봇에 의해 로킹 비임에 연결된다. 피스톤의 선형 운동은 로킹 비임의 회전 운동으로 변환된다. 또한, 로킹 비임을 수용하고 커플링 조립체의 제1 부분을 수용하는 크랭크 케이스가 구비되어 있다. 또한, 커넥팅 로드를 통해 로킹 비임에 결합되는 크랭크 축이 구비되어 있다. 로킹 비임의 회전 운동은 크랭크 축으로 전달된다. 기계는 또한 하나 이상의 실린더, 하나 이상의 피스톤 및 커플링 조립체의 제2 부분을 수용하는 작업 공간을 포함한다. 크랭크 케이스로부터 작업 공간을 밀봉하는 밀봉부가 구비되어 있다.
또한, 이러한 본 발명의 태양의 몇몇 실시예는 밀봉부가 롤링 다이아프램인 구성; 커플링 조립체가 피스톤 로드 및 링크 로드를 더 포함하는 구성; 피스톤 로드 및 링크 로드가 커플링 수단에 의해 함께 결합되는 구성; 열교환기가 증발 응축기의 하우징 주위에 배치되는 구성; 외부 튜브는 공급원 유체 유동 경로이고 하나 이상의 내부 튜브는 생성 유체 유동 경로인 구성; 열교환기가 3개 이상의 내부 튜브를 더 포함하는 구성; 증발 응축기가 복수의 튜브에 유체 연결되는 증기 체스트를 더 포함하는 구성; 재생 송풍기가 마그네틱 구동 커플링에 의해 구동되는 임펠러 조립체를 더 포함하는 구성 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
본 발명에 대한 이들 태양으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 다른 특징, 태양 및 장점은 첨부 청구범위 및 첨부 도면과 연계하여 파악할 경우 기술 분야의 숙련자들에게 있어 명백할 것이다.
본 발명의 이러한 특징 및 장점 그리고 다른 특징 및 장점은 도면과 함께 연계된 다음의 상세한 설명으로부터 더 상세하게 이해될 것이다.
본원 발명은 시스템 작동을 위해 필요한 동력 비용 및 요구되는 시스템 유지 보수 양을 감소시키면서도 효율 및 생산 능력을 증가시킬 수 있다.
도 1은 수증기 증류 장치의 등각 투상도이다.
도 1a는 설명서의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 1b는 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 1c는 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 1d은 예시적인 실시예의 조립도이다.
도 1e은 프레임의 예시적인 실시예의 상세도이다.
도 1f는 대체 실시예의 조립도이다.
도 1g는 대체 실시예의 조립도이다.
도 1h는 대체 실시예의 조립도이다.
도 2는 이중관식 열교환기 조립체의 예시적인 실시예의 조립도이다.
도 2a는 이중관식 열교환기의 일 실시예의 확대도이다.
도 2b는 후방으로부터의 이중관식 열교환기의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 2c는 전방으로부터의 이중관식 열교환기의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 2d는 이중관식 열교환기의 일 실시예의 단면도이다.
도 2e는 이중관식 열교환기의 대체 실시예의 확대도이다.
도 2f는 내부 튜브의 나선형 배열을 도시하고 있는 이중관식 열교환기의 일 실시예의 절취도이다.
도 2g는 이중관식 열교환기의 대체 실시예의 확대도이다.
도 2h는 이중관식 열교환기의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 2i는 이중관식 열교환기의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 2j는 이중관식 열교환기 구성의 대체 실시예의 확대도이다.
도 2k는 이중관식 열교환기 구성의 대체 실시예의 조립도이다.
도 2l은 이중관식 열교환기 구성의 대체 실시예의 조립도이다.
도 2m은 이중관식 열교환기 구성의 대체 실시예의 상세도이다.
도 2n은 이중관식 열교환기 구성의 대체 실시예의 상세도이다.
도 2o는 이중관식 열교환기 구성의 대체 실시예의 개략도이다.
도 2p는 열교환기의 대체 실시예의 조립도이다.
도 2q는 열교환기의 대체 실시예의 확대도이다.
도 2r은 열교환기의 대체 실시예의 부분 단면도이다.
도 3은 이중관식 열교환기에 부착된 끼워 맞춤 조립체용 커넥터의 확대도이다.
도 3a는 이중관식 열교환기용 끼워 맞춤 조립체의 단면도이다.
도 3b는 이중관식 열교환기용 끼워 맞춤 조립체의 단면도이다.
도 3c는 제1 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 3d는 제1 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3e는 제1 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3f는 제1 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3g는 제2 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 3h는 이중관식 열교환기터용 끼워 맞춤 조립체의 단면도이다.
도 3i는 제2 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3j는 제2 커넥터에 대한 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 4는 증발기/응축기 조립체의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 4a는 증발기/응축기 조립체의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 4b는 증발기/응축기의 예시적인 실시예의 등각 투상 단면도이다.
도 4c는 증발기/응축기 조립체의 대체 실시예의 등각 투상도이다.
도 5는 섬프의 예시적인 실시예의 조립도이다.
도 5a는 섬프의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 6은 섬프 조립체용 플랜지의 등각 투상 상세도이다.
도 7은 증발기/응축기의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 7a는 증발기/응축기 조립체의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 7b는 수개의 액체 비등 모드에 대한 압력 함수로서 증발기의 증류 출력 비율을 도시한 도면이다.
도 8은 증발기/응축기용 튜브의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 9는 증발기/응축기용 튜브 및 로드 구성의 확대도이다.
도 9a는 증발기/응축기용 로드의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 10은 섬프 튜브 시트의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 10a는 상부 튜브 시트의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 11은 증발기/응축기용 천정 캡의 상세도이다.
도 12는 증기 체스트의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 12a는 증기 체스트의 예시적인 실시예의 등각 투상도이다.
도 12b는 증기 체스트의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 12c는 증기 체스트의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 12d는 대체 실시예의 등각 투상도이다.
도 12e는 증기 체스트의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 12f는 증기 체스트의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 13은 증발기/응축기의 대체 실시예의 조립도이다.
도 13a는 증발기/응축기의 대체 실시예의 단면도이다.
도 13b는 튜브 배열을 도시하고 있는 증발기/응축기의 대체 실시예의 조립도이다.
도 13c는 튜브 배열을 도시하고 있는 증발기/응축기의 대체 실시예의 단면도이다.
도 13d는 섬프가 설치되지 않은 증발기/응축기의 대체 실시예의 등각 투상도이다.
도 13e는 증발기/응축기의 대체 실시예의 확대도이다.
도 14는 분무 제거기 조립체의 등각 투상도이다.
도 14a는 분무 제거기용 캠 외측의 등각 투상도이다.
도 14b는 분무 제거기용 캠 내측의 등각 투상도이다.
도 14c는 분무 제거기 조립체의 단면도이다.
도 14d는 분무 제거기 조립체의 단면도이다.
도 15는 재생 송풍기의 예시적인 실시예의 조립도이다.
도 15a는 재생 송풍기 조립체의 예시적인 실시예의 저면도이다.
도 15b는 재생 송풍기 조립체의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 15c는 재생 송풍기의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 15d는 재생 송풍기의 예시적인 실시예용 하우징의 상부 섹션의 외부면의 상세도이다.
도 15e는 재생 송풍기의 예시적인 실시예용 하우징의 상부 섹션의 내부면의 상세도이다.
도 15f는 재생 송풍기의 예시적인 실시예용 하우징의 하부 섹션의 내부면의 상세도이다.
도 15g는 재생 송풍기의 예시적인 실시예용 하우징의 하부 섹션의 외부면의 상세도이다.
도 15h는 재생 송풍기의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 15i는 재생 송풍기의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 15j는 재생 송풍기의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 15k는 재생 송풍기 조립체의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 15l은 재생 송풍기의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 16은 재생 송풍기의 예시적인 실시예용 임펠러 조립체의 상세도이다.
도 16a는 임펠러 조립체의 단면도이다.
도 17은 재생 송풍기의 대체 실시예의 조립도이다.
도 17a는 재생 송풍기의 대체 실시예의 조립도이다.
도 17b는 재생 송풍기 조립체의 대체 실시예의 단면도이다.
도 17c는 재생 송풍기 조립체의 대체 실시예의 단면도이다.
도 17d는 재생 송풍기 조립체의 대체 실시예의 단면도이다.
도 17e는 재생 송풍기의 대체 실시예의 확대도이다.
도 17f는 임펠러 하우징의 조립도이다.
도 17g는 임펠러 하우징의 확대도이다.
도 17h는 임펠러 하우징 조립체의 대체 실시예의 단면도이다.
도 17i는 임펠러 하우징 조립체의 대체 실시예의 단면도이다.
도 17j는 임펠러 하우징의 하부 섹션의 저면도이다.
도 17k는 임펠러 하우징의 하부 섹션의 내부면의 상세도이다.
도 17l은 임펠러 하우징 조립체의 상부 섹션의 평면도이다.
도 17m은 커버가 설치되지 않은 임펠러 조립체용 하우징의 상부 섹션의 평면도이다.
도 17n은 임펠러 조립체용 하우징의 상부 섹션의 내부면의 상세도이다.
도 18은 재생 송풍기의 대체 실시예용 임펠러 조립체의 상세도이다.
도 18a는 임펠러 조립체의 단면도이다.
도 19는 레벨 센서 조립체의 조립도이다.
도 19a는 레벨 센서 조립체의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 19b는 레벨 센서 하우징 내부의 침전 탱크의 단면도이다.
도 19c는 레벨 센서 하우징 내부의 배출 센서 및 생성 레벨 센서 저장조의 단면도이다.
도 19d는 레벨 센서 조립체의 대체 실시예의 조립도이다.
도 19e는 레벨 센서 조립체의 대체 실시예의 확대도이다.
도 19f는 레벨 센서 조립체의 대체 실시예의 단면도이다.
도 19g는 레벨 센서 조립체 작동의 개략도이다.
도 19h는 레벨 센서 조립체의 대체 실시예를 도시한 도면이다.
도 20은 레벨 센서 조립체의 등각 투상도이다.
도 20a는 레벨 센서 조립체의 단면도이다.
도 21은 베어링 공급수 펌프의 전방측 등각 투상도이다.
도 21a는 베어링 공급수 펌프의 후방측 등각 투상도이다.
도 22는 수증기 증류 장치의 예시적인 실시예용 원수 유동 경로의 개략도이다.
도 22a는 열교환기로 유입하는 원수의 개략도이다.
도 22b는 열교환기를 통과하는 원수의 개략도이다.
도 22c는 열교환기를 빠져나가는 원수의 개략도이다.
도 22d는 재생 송풍기를 통과하는 원수의 개략도이다.
도 22e는 재생 송풍기를 출입하는 원수의 개략도이다.
도 23은 수증기 증류 장치의 예시적인 실시예용 배출수 유동 경로의 개략도이다.
도 23a는 증발기/응축기 조립체를 빠져나와 레벨 센서 하우징으로 유입하는 배출수의 개략도이다.
도 23b는 레벨 센서 하우징 내부의 침전 탱크를 채우는 배출수의 개략도이다.
도 23c는 레벨 센서 하우징 내부의 배출 레벨 센서 저장조를 채우는 배출수의 개략도이다.
도 23d는 레벨 센서 하우징을 빠져나와 여과기로 유입하는 배출수의 개략도이다.
도 23e는 여과기를 빠져나와 열교환기로 유입하는 배출수의 개략도이다.
도 23f는 열교환기를 통과하는 배출수의 개략도이다.
도 23g는 열교환기를 빠져나가는 배출수의 개략도이다.
도 24는 수증기 증류 장치의 예시적인 실시예용 생성수 유동 경로의 개략도이다.
도 24a는 증발기/응축기 조립체를 빠져나와 레벨 센서 하우징으로 유입하는 생성수의 개략도이다.
도 24b는 레벨 센서 하우징 내부의 생성 레벨 센서 저장조로 진입하는 생성수의 개략도이다.
도 24c는 생성 레벨 센서 저장조를 빠져나와 열교환기로 유입하는 생성수의 개략도이다.
도 24d는 열교환기를 통과하는 생성수의 개략도이다.
도 24e는 열교환기를 빠져나가는 생성수의 개략도이다.
도 24f는 레벨 센서 하우징 내부의 베어링 공급수 저장조로 유입하는 생성수의 개략도이다.
도 24g는 레벨 센서 하우징을 빠져나와 베어링 공급수 펌프로 진입하는 생성수의 개략도이다.
도 24h는 베어링 공급수 펌프를 빠져나와 재생 송풍기로 진입하는 생성수의 개략도이다.
도 24i는 재생 송풍기를 빠져나와 레벨 센서 하우징으로 유입하는 생성수의 개략도이다.
도 25는 수증기 증류 장치의 예시적인 실시예용 통기로의 개략도이다.
도 25a는 공기가 배출 센서 저장조를 빠져나와 증발기/응축기로 유입하는 것을 허용하는 통기로의 개략도이다.
도 25b는 공기가 생성 센서 저장조를 빠져나와 증발기/응축기로 유입하는 것을 허용하는 통기로의 개략도이다.
도 25c는 공기가 증발기/응축기 조립체를 빠져나오는 것을 허용하는 통기로의 개략도이다.
도 26은 섬프로부터 증발기/응축기 조립체의 튜브로 진입하는 저압 증기의 개략도이다.
도 26a는 증발기/응축기 조립체의 튜브를 통과하는 저압 증기의 개략도이다.
도 26b는 증발기/응축기 조립체의 튜브를 빠져나와 증기 체스트로 진입하는 습한 저압 증기의 개략도이다.
도 26c는 증발기/응축기 조립체의 증기 체스트를 통해 유동하는 습한 저압 증기의 개략도이다.
도 26d는 증기 체스트를 통과하는 저압 증기로서 배출수를 생성하는 개략도이다.
도 26e는 증기 체스트를 빠져나와 재생 송풍기로 유입하는 건조 저압 증기의 개략도이다.
도 26f는 재생 송풍기를 통과하는 건조 저압 증기의 개략도이다.
도 26g는 재생 송풍기를 빠져나오는 고압 증기의 개략도이다.
도 26h는 증기 튜브로 진입하는 고압 증기의 개략도이다.
도 26i는 증기 튜브를 빠져나와 증발기/응축기 챔버로 진입하는 고압 증기의 개략도이다.
도 26j는 증발기/응축기 챔버 내부에서 응축하는 고압 증기로부터 생성수를 생성하는 개략도이다.
도 27은 1 리터의 생성수를 생산하는데 필요한 에너지 양과 재생 송풍기를 가로지르는 차등 압력 사이의 관계를 도시한 차트이다.
도 28은 증발기/응축기 조립체 내부의 열 전달 튜브의 개수와 생성수의 생산 비율 사이의 관계를 도시한 차트이다.
도 29는 증발기/응축기 챔버와의 열 전달 표면적의 양의 함수로서 증발기/응축기 조립체의 생성수 생산 비율을 도시한 차트이다.
도 30은 재생 송풍기를 가로지르는 압력에 있어서의 변화와 관련하여, 증발기/응축기 챔버 내부의 열 전달 튜브의 양을 변화시키는 열전달 표면의 효율을 도시한 차트이다.
도 31은 재생 송풍기를 가로지르는 상이한 압력 차등에서 증발기/응축기 조립체에 의해 소비되는 에너지의 양과 생산 비율을 도시한 차트이다.
도 32는 입력, 베인과 베인 사이의 챔버 및 회전 구동 축에 대한 지지 구조를 도시한 특정 실시예에 따른 회전자 및 고정자의 단면 및 평면을 도시한 도면이다.
도 32a는 입출력, 베인, 하우징 유닛 내부의 편심 구성 및 구동 축에 대한 지지 구조를 도시한, 도 32에 도시된 실시예에 대응하는 회전자 및 고정자의 측면 및 평면을 도시한 도면이다.
도 32b는 입출력, 베인, 하우징 유닛 내부의 편심 구성 및 구동 축에 대한 지지 구조를 도시한, 도 32 및 도 32a에 도시된 실시예에 대응하는 회전자 및 고정자의 평면도이다.
도 32c는 베인, 구동 축 및 베어링을 도시한 도 32, 도 32a 및 도 32b에 도시된 실시예에 대응하는 회전자 및 고정자의 단면도이다.
도 32d는 용량성 센서를 도시한, 일 실시예에 따른 액체 링 펌프의 단면도이다.
도 32e는 편심 회전자, 회전자 베인, 베어링을 구비한 구동 축, 액체 링 펌프용 회전 하우징 유닛, 고정(still) 하우징 및 사이클론 효과와 증기로부터의 최종 분무 및 물방울 제거를 도시한 일 실시예에 따른 액체 링 펌프의 단면도이다.
도 32f는 액체 링 펌프에 대한 대체 실시예의 개략도이다.
도 32g는 각각의 개별 챔버 내의 입구 및 출구 구멍 그리고 베인 사이의 챔버와 다중 베인을 도시한 회전자에 대한 대체 실시예의 평면도이다.
도 32h는 고정 입구 포트와 회전 구동 축, 회전자 및 하우징 유닛을 도시한 액체 링 펌프의 추가 상세도이다.
도 32i는 출구 오리피스로부터 입구 오리피스를 분리하는 액체 링 펌프의 고정 및 회전자 섹션 사이에 존재할 수도 있는 밀봉부에 대한 도면이다.
도 33은 일 실시예에 따른 배압(backpressure) 조절기의 측면도이다.
도 33a는 도 33에 도시된 배압 조절기의 사시도(diagonal view)이다.
도 33b는 수직으로 위치 설정된 포트를 구비한 배압 조절기의 대체 실시예의 측면도이다.
도 33c는 도 33b에 도시된 배압 조절기의 사시도이다.
도 33d는 배압 조절기의 대체 실시예의 사시도이다.
도 33e는 배압 조절기의 포트 내의 노치를 도시한, 도 33d의 섹션 C의 확대도이다.
도 33f는 배압 조절기의 일 실시예의 절취 측면도이다.
도 33g는 배압 조절기의 오리피스 내의 작은 개구를 도시한, 도 33f의 섹션 E의 확대도이다.
도 34는 장치 내부에 구현된 배압 조절기의 개략도이다.
도 35는 수증기 증류 장치에 대한 대체 실시예의 개략도이다.
도 35a는 원수와 배출 유체 라인 사이의 외부 연결 밸브를 도시한 레벨 센서 하우징에 대한 대체 실시예의 상세 개략도이다.
도 36은 유체 분배 매니폴드의 펌프 측 일면에 대한 도면이다.
도 36a는 유체 분배 매니폴드의 펌프 측 제2 면에 대한 도면이다.
도 36b는 유체 분배 매니폴드의 증발기/응축기 측 일면에 대한 도면이다.
도 36c는 유체 분배 매니폴드의 증발기/응축기 측 제2 면에 대한 도면이다.
도 37은 끼워 맞춤 조립체의 대체 실시예의 커플러의 평면도이다.
도 37a는 도 37에서의 끼워 맞춤 조립체의 대체 실시예의 측면도이다.
도 38은 개별 가열 층 및 리브를 구비한 증발기/응축기의 대체 실시예의 단면도이다.
도 38a는 리브가 증기/증발을 액체/응축 층으로부터 효과적으로 구획하는 방법을 도시한 증발기/응축기의 대체 실시예의 단면의 상세도이다.
도 39는 열교환기에 대한 대체 실시예의 개략도이다.
도 39a는 열교환기에 대한 대체 실시예의 개략도이다.
도 40은 콜드 센서를 사용한 시스템의 압력 측정을 포함하는 수증기 증류 장치의 대체 실시예의 개략 개요도이다.
도 41은 각각의 필터 유닛이 중심 축을 중심으로 피봇 조인트 주위를 회전하는, 흡입 흐름 및 배출 흐름이 필터 유닛을 통해 유동하고 있는 플립 필터를 도시한 도면이다.
도 41a는 플립 필터 하우징을 도시한 도면이다.
도 41b는 도 41에서의 플립 필터의 상세도이다.
도 41c는 멀티 유닛 플립 필터의 대체 실시예를 도시한 도면이다.
도 41d는 플립 필터의 대체 실시예의 개략도이다.
도 41e는 플립 필터의 일 실시예의 유동 경로의 개략도이다.
도 41f는 도 41e의 플립 필터의 개별 유닛을 통해 물의 유동을 변화시키는 매뉴얼 스위치를 도시한 개략도이다.
도 42는 분산된 설비에 대한 모니터링 시스템의 설명도이다.
도 43은 설비에 대한 분산 시스템의 설명도이다.
도 44는 수증기 증류 장치의 대체 실시예와 합체 가능한 시스템의 실시예의 개념적인 흐름도이다.
도 44a는 도 44에 도시된 시스템과 함께 사용하기 위한 동력원의 개략 블록도이다.
도 51a 내지 도 51e는 스털링 사이클 엔진의 작동 원리의 설명도이다.
도 52는 일 실시예에 따른 로킹 비임 드라이브를 도시한 도면이다.
도 53은 일 실시예에 따른 로킹 비임 드라이브를 도시한 도면이다.
도 54는 일 실시예에 따른 엔진을 도시한 도면이다.
도 55a 내지 도 55d는 일 실시예에 따른 로킹 비임 드라이브에 대한 다양한 설명도이다.
도 56은 일 실시예에 따른 베어링 스타일 로드 커넥터를 도시한 도면이다.
도 57a 내지 도 57b는 일 실시예에 따른 플렉서(flexure)를 도시한 도면이다.
도 58은 일 실시예에 따른 4 실린더 2중 로킹 비임 드라이브 배열을 도시한 도면이다.
도 59는 일 실시예에 따른 크랭크 축의 단면도이다.
도 510a는 일 실시예에 따른 엔진을 도시한 도면이다.
도 510b는 일 실시예에 따른 크랭크 축 커플링을 도시한 도면이다.
도 510c는 일 실시예에 따른 슬리브 회전자를 도시한 도면이다.
도 510d는 일 실시예에 따른 크랭크 축을 도시한 도면이다.
도 510e는 일 실시예에 따른 슬리브 회전자 및 스플라인축의 단면도이다.
도 510f는 일 실시예에 따른 크랭크 축 및 스플라인축의 단면도이다.
도 510g는 일 실시예에 따른 슬리브 회전자, 크랭크 축 및 스플라인축의 다양한 도면이다.
도 511은 일 실시예에 따른 엔진의 피스톤의 작동을 도시한 도면이다.
도 512a는 일 실시예에 따른 작업 공간 및 실린더의 전개(unwrapped) 개략도이다.
도 512b는 일 실시예에 따른 실린더, 히터 헤드 및 재생기의 개략도이다.
도 512c는 일 실시예에 따른 실린더 헤드를 도시한 도면이다.
도 513a는 일 실시예에 따른, 천정 밀봉 피스톤 및 바닥 밀봉 피스톤을 지지하는 롤링 다이아프램을 도시한 도면이다.
도 513b는 일 실시예에 따른 로킹 비임 구동식 엔진의 확대도이다.
도 513c는 일 실시예에 따른, 실린더, 히터 헤드, 재생기 및 롤링 다이아프램의 도면이다.
도 513d 내지 도 513e는 일 실시예에 따른, 작동 중인 롤링 다이아프램의 다양한 도면이다.
도 513f는 일 실시예에 따른 작업 공간 및 실린더의 전개 개략도이다.
도 513g는 일 실시예에 따른 내연 기관의 도면이다.
도 514a 내지 도 514e는 롤링 다이아프램의 다양한 실시예에 대한 도면이다.
도 515a는 일 실시예에 따른 메탈 벨로우즈와 부속 피스톤 로드 및 피스톤들에 대한 도면이다.
도 515b 내지 도 515d는 일 실시예에 따른 메탈 벨로우즈 다이아프램의 도면이다.
도 515e 내지 도 515g는 다양한 실시예에 따른 메탈 벨로우즈의 도면이다.
도 515h는 다양한 로드 영역을 식별하는 롤링 다이아프램의 개략도이다.
도 515i는 컨볼루션(convolution) 영역을 식별하는 롤링 다이아프램의 개략도이다.
도 516은 일 실시예에 따른 피스톤 및 피스톤 밀봉부를 도시한 도면이다.
도 517은 일 실시예에 따른 피스톤 로드 및 피스톤 로드 밀봉부를 도시한 도면이다.
도 518a는 일 실시예에 따른 피스톤 밀봉 배킹(backing) 링을 도시한 도면이다.
도 518b는 일 실시예에 따른 배킹 링에 대한 압력 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 518c 및 도 518d는 일 실시예에 따른 피스톤 밀봉부를 도시한 도면이다.
도 518e 및 518f는 일 실시예에 따른 피스톤 로드 밀봉부를 도시한 도면이다.
도 519a는 일 실시예에 따른 피스톤 밀봉 배킹 링의 도면이다.
도 519b는 일 실시예에 따른 피스톤 밀봉 배킹 링에 대한 압력 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 520a는 일 실시예에 따른 피스톤 로드 밀봉 배킹 링의 도면이다.
도 520b는 일 실시예에 따른 피스톤 로드 밀봉 배킹 링에 대한 압력 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 521은 일 실시예에 따른 피스톤 안내 링을 도시한 도면이다.
도 522는 일 실시예에 따른 작업 공간 및 실린더의 전개 개략도이다.
도 523a는 일 실시예에 따른 엔진을 도시한 도면이다.
도 523b는 일 실시예에 따른 엔진을 도시한 도면이다.
도 524는 일 실시예에 따른 크랭크 축을 도시한 도면이다.
도 525a 내지 도 525c는 다양한 실시예에 따른 펌프 드라이브의 다양한 구성을 도시한 도면.
도 526a는 일 실시예에 따른 오일 펌프의 다양한 도면이다.
도 526b는 일 실시예에 따른 엔진을 도시한 도면이다.
도 526c는 도 526b에 도시된 엔진의 다른 도면이다.
도 527a 및 도 527b는 일 실시예에 따른 엔진을 도시한 도면이다.
도 527c는 일 실시예에 따른 커플링 조인트를 도시한 도면이다.
도 527d는 일 실시예에 따른 엔진의 크랭크 축 및 스플라인축을 도시한 도면이다.
도 528a는 장치의 일 실시예에 연결된 발전기를 도시한 도면이다.
도 528b는 수증기 증류 장치에 전력 및 열을 제공하기 위한 보조 동력 유닛의 개략 대표도이다.
도 528c는 일 실시예에 따른 시스템의 개략도이다.
정의. 본 설명 및 첨부 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 다음의 용어는 문맥상 달리 요구하지 않는 한, 나타내어진 의미를 가지는 것으로 한다.
용어 "유체"는 물을 포함하는 임의의 형태의 유체를 포함하도록 본 명세서에서 사용된다. 따라서, 예시적인 실시예 및 다양한 다른 실시예가 물을 기준으로 본 명세서에서 기술되었지만, 장치, 시스템 및 방법의 범위는 임의의 형태의 유체를 포함하는 것이다. 또한, 본 명세서에서, 용어 "액체"는 유체가 액체인 예시적인 실시예를 표시하는데 사용될 수도 있다.
용어 "증발 응축기"는 본 명세서에서 증발기 및 응축기의 조합인 장치를 나타내는데 사용된다. 따라서, 구조 그 자체로 양자로서 기능하는 구조를 증발 응축기로 칭한다. 증발 응축기 구조는 본 명세서에서 증발기/응축기, 증발 응축기 또는 증발기 및 응축기로 칭해 진다. 또한, 몇몇 경우, 증발기 또는 응축기 중 하나가 개별적으로 칭하여질 수도 있으며, 용어는 제한적이지 않으며 증발 응축기 구조를 칭하는 것임을 이해하여야 한다.
용어 "오수(汚水)"는 본 명세서에서 물을 소비하기 이전에 정수할 필요가 있는 임의의 물을 칭하는데 사용된다.
용어 "정수(淨水)"는 본 명세서에서 원수(source water)보다 생성수(product water)로서 더 깨끗한 물을 칭하는데 사용된다.
용어 "원수(原水)"는 장치로 유입하는 임의의 물을 칭한다.
용어 "생성수"는 장치를 빠져나오는 정수를 칭한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 용어 "정화"는 하나 이상의 오염 물질의 농도를 감소시키거나 다르게는 하나 이상의 오염 물질의 농도를 변화시키는 것을 말한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "특정 레벨"은 특정 용도를 위해 사용자에 의해 정의되는 임의의 원하는 농도 레벨을 칭한다. 특정 레벨의 일예로는 산업 또는 상업 처리를 수행하기 위해 유체 내 오염 물질의 레벨을 제한하는 것일 수도 있다. 예로서는 용매 또는 반응물 내의 오염 물질 레벨을 화학 반응(예를 들어, 중합)에 있어서 산업적으로 현저한 생산량을 가능하게 하기 위해 적용 가능한 레벨로 제거하는 것이다. 특정 레벨의 다른 예로서는 안전 또는 건강 상의 이유로 정부 또는 정부 간 기구에 의해 제시되는 유체 내 특정 오염 물질 레벨이 될 수도 있다. 예로서는 식용 또는 특정 건강이나 의학 용도로 사용되기 위한 물 내의 하나 이상의 오염 물질의 농도를 포함할 수도 있으며, 상기 농도 레벨은 세계 건강 기구 또는 미국 환경 보호국과 같은 기구에 의해 제시된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "시스템"은 수증기 증류 장치(용수 시스템 또는 수증기 증류 시스템으로 칭해질 수도 있음) 및 스털링 엔진과 같은 동력원을 함께 구비한 수증기 증류 장치를 포함하는 요소들의 임의의 조합을 칭할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서는 원수로 알려진 오수를 생성수로 알려진 정수로 증류하는 장치가 개시된다. 장치는 물을 증발시켜 원수로부터 미립자를 분리함으로써 원수를 정수시킨다. 본 명세서 및 첨부 청구범위에서 사용되는 용어 "정화"는 하나 이상의 오염 물질의 농도를 특정 레벨 이하로 실질적으로 감소시키거나, 다르게는 하나 이상의 오염 물질의 농도를 특정 범위 내로 변경시키는 것을 말한다.
원수는 먼저 역류 이중관식(tube-in-tube) 열교환기를 통과하여 수온이 증가된다. 원수의 온도를 증가시킴으로써 증발기/응축기 내부의 물을 증발시키는데 필요한 열 에너지의 양을 감소시킨다. 원수는 열교환기 내에 존재하는 다른 유체 흐름으로부터 열 에너지를 받을 수도 있다. 대개, 이러한 다른 흐름은 원수보다 높은 온도를 가져서 열 에너지가 고온의 흐름으로부터 저온의 원수로 흐르게 유도한다.
증발기/응축기 조립체의 증발기 영역은 가열된 원수를 받는다. 이러한 조립체는 원수를 증발시켜 물로부터 오염 물질을 분리시킨다. 열 에너지는 가열 소자 및 고압 증기를 사용하여 공급될 수도 있다. 대개, 가열 소자는 초기 개시 중에 사용되므로, 통상의 작동 조건에서는 열 에너지는 고압 증기에 의해 제공될 것이다. 원수는 증발기/응축기의 증발기 영역의 내부 튜브를 채우게 된다. 고압 증기가 이들 튜브의 외부면 상에서 응축할 때, 열 에너지는 원수로 전도된다. 이러한 열 에너지는 원수 중 일부가 저압 증기로 증발되게 한다. 원수가 저압 증기로 변화한 후, 증기는 튜브 출구를 빠져나가 분리기를 통과할 수도 있다. 분리기는 증기 내부에 남아있는 모든 물방울을 제거시켜서 저압 증기가 압축기로 진입하기 이전에 확실하게 건조되게 한다.
증발기/응축기의 증발기 영역을 빠져나오면, 저압 증기는 압축기로 진입한다. 압축기는 저압 증기를 압축시킴으로써 고압 증기를 생성한다. 증가가 압축됨에 따라, 증기의 온도는 증가한다. 증기의 온도 및 압력이 상승된 상태에서, 증기는 압축기를 빠져나간다.
고압 증기는 증발기/응축기의 응축기 영역으로 진입한다. 증기가 내부 캐비티를 채우게 되면, 증기는 캐비티에 내장된 튜브 상에서 응축하게 된다. 고압 증기는 열 에너지를 튜브 내부의 원수로 전달한다. 이러한 열 전달은 증기가 튜브의 외부면 상에서 응축되게 하여 생성수를 생성시킨다. 생성수는 증발기/응축기의 응축기 영역의 기부에서 수집된다. 생성수는 증발기/응축기의 증발기 영역을 떠나서 레벨 센서 하우징으로 진입한다.
레벨 센서 하우징은 장치 내부의 생성수 및 배출(blowdown)수의 양을 판단하기 위한 레벨 센서를 포함한다. 이들 센서는 조작자로 하여금 장치 내부의 수위에 따라 유입하는 원수의 양 또는 생산되고 있는 생성수의 양을 조정하는 것을 가능하게 한다.
다양한 실시예를 기준으로 본 명세서에서 설명되고 있는 수증기 증류 장치는추가로 수증기 증류 시스템을 형성하기 위해 스털링 엔진과 연계하여 사용될 수도 있다. 수증기 증류 장치에 의해 요구되는 동력은 수증기 증류 장치에 전기적으로 연결된 스털링 엔진에 의해 제공될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 수증기 증류 장치(100)의 일 실시예가 도시된다. 설명을 목적으로 하여, 도 1에 도시된 실시예는 예시적인 실시예로서 참조될 것이다. 다른 실시예가 고찰되며, 그 일부는 여기서 논의될 것이다. 장치(100)는 열교환기(102), 증발기/응축기 조립체(104), 재생 송풍기(106), 레벨 센서 조립체(108), 베어링 공급수 펌프(110) 및 프레임(112)을 포함할 수도 있다. 수증기 증류 장치(100)의 추가 도면 및 단면에 대해서는 도 1a 내지 도 1e를 참조하라.
도 1f 내지 도 1h를 참조하면, 이들 도면은 수증기 증류 장치(100)의 대체 실시예를 도시하고 있다. 도 1f는 증발기/응축기 조립체(122)의 대체 구성을 가지는 장치(120)를 도시한다. 유사하게, 도 1g는 다른 증발기/응축기 조립체(132)의 구성을 가지는 장치를 개시하고 있다. 유사하게, 도 1h는 도 1 내지 도 1e에서 레벨 센서 조립체(108) 및 베어링 공급수 펌프(110)를 포함하지 않는 장치의 다른 실시예를 도시하고 있다.
열교환기
이후, 도 2 내지 도 2a를 참조하면, 수증기 증류 장치의 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기는 역류 이중관식 열교환기(200)일 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 열교환기 조립체(200)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 외부 튜브(202), 복수의 내부 튜브(204) 및 한 쌍의 커넥터(206)를 포함할 수도 있다. 열교환기 조립체(200)의 다른 실시예에서는 커넥터(206)를 포함하지 않을 수도 있다.
계속, 도 2 내지 도 2a를 참조하면, 열교환기 조립체(200)는 수 개의 독립적인 유체 경로를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 외부 튜브(202)는 원수 및 4 개의 내부 튜브(204)를 포함하고 있다. 이들 내부 튜브(204) 중 3개는 장치에 의해 생산된 생성수를 포함할 수도 있다. 4번째 내부 튜브는 배출수를 포함할 수도 있다.
계속, 도 2 내지 도 2a를 참조하면, 열교환기 조립체(200)는 유입하는 원수의 온도를 증가시키고 유출하는 생성수의 온도를 감소시킨다. 원수가 내부 튜브(204)의 외부면과 접촉함에 따라, 열 에너지는 내부 튜브(204)의 벽을 통해 높은 온도의 배출수 및 생성수로부터 낮은 온도의 원수로 전도된다. 더 높은 온도를 가지는 원수가 물을 증발시키는데 있어서 더 작은 에너지를 필요로 하기 때문에, 원수의 온도를 증가시킴으로써, 수증기 증류 장치(100)의 효율이 향상된다. 게다가, 생성수의 온도를 감소시킴으로써 소비자에 의해 사용되는 물이 준비된다.
계속, 도 2 내지 도 2a를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기(200)는 수개의 기능을 가지는 외부 튜브(202)를 구비한 이중관식 열교환기가다. 먼저, 외부 튜브(202)는 내부 튜브(204)를 보호하면서 내장하고 있다. 외부 튜브(202)는 내부 튜브(204)와 외부 환경 사이의 차단부로서 기능함으로써 부식으로부터 내부 튜브(204)를 보호한다. 또한, 외부 튜브(202)는 외부 환경으로의 열 에너지 교환을 방지함으로써 열교환기(200)의 효율도 향상시킨다. 외부 튜브(202)는 내부 튜브(204)를 절연하고 이는 외부 환경과의 임의의 열전달을 감소시킨다. 유사하게, 외부 튜브(202)는 내부 튜브(204)로부터의 열전달의 저항 역할을 할 수도 있어, 원수를 향한 열전달에 집중시키고 열교환기(200)의 효율을 향상시킨다.
계속, 도 2 내지 도 2a를 참조하면, 외부 튜브(202)는 임의의 재료로 제조될 수도 있지만, 낮은 열전도성인 것이 바람직하다. 외부 튜브(202)가 외부 환경으로부터 내부 튜브(204)를 절연하고 있기 때문에 낮은 열전도성이 중요하다. 낮은 열전도성의 재료가 외부 환경에 대한 열 에너지의 손실 또는 이득을 감소시키기 때문에 외부 튜브의 낮은 열전도성은 열교환기의 효율을 향상시킨다. 또한, 낮은 열전도성의 재료는 내부 튜브(204)로부터 외부 튜브(202)로 전달될 수도 있는 열 에너지의 양을 저감시킨다. 이러한 열전달에 대한 저항은 외부 튜브(202)를 통해 장치로부터 벗어나는 열 에너지보다 더 많은 열 에너지가 원수로 전달되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 낮은 열전도성을 가지는 재료로 제조된 외부 튜브(202)는 외부 환경에 대한 손실 또는 이득보다는 더 많은 열 에너지가 원수로 전달되는 것을 가능하게 한다.
계속, 도 2 내지 도 2a를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 외부 튜브(202)는 투명 실리콘으로 제조된다. 실리콘 재료는 낮은 열 전도성을 가지는 것에 추가하여 내부식성도 가진다. 이는 열교환기(200)의 부식을 방지하는 데 있어 중요한 특성이다. 외부 튜브(202) 내부의 원수는 화학 물질 및/또는 기타 고반응성 물질을 포함할 수도 있다. 이들 물질은 다른 재료로 만들어진 외부 튜브(202)가 파손되게 하여 열교환기(200)의 서비스 수명을 감소시킨다. 대체 실시예에 있어서, 외부 튜브(202)는 고온 저항성을 가지는 플라스틱 또는 고무와 같은 다른 재료로 제조될 수도 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 외부 튜브(202)는 혼합을 향상시키기 위해 선회형 튜브(convoluted tubing)로 제조되고, 이는 열전달 효율을 증가시킨다.
이후, 도 2b 내지 도 2c를 참조하면, 추가로 요구되는 특징으로서 외부 튜브(202)는 수증기 증류 장치(100) 내부에서 열교환기(200)의 설치를 지지하기 위해 충분한 탄성을 가져야 한다. 몇몇 실시예에서 증류 장치를 위한 공간은 다른 환경 또는 상황적인 제약에 의해 제한될 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기(200)는 증발기/응축기 주위에서 둘러싸인다. 다른 실시예에 있어서, 열교환기는 환경으로부터의 열 손실 또는 이득을 최소화시키기 위해 수증기 증류 장치의 절연 커버와 일체화될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기(200)는 도 2b 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 코일 내에 구성된다. 이러한 구성을 이루기 위해, 내부 튜브(204)는 외부 튜브(202) 내부로 미끄러 들어가고, 이어서 맨드릴을 중심으로 감겨진다. 탄성 외부 튜브(202)는 열교환기(200)의 단부를 장치 내부의 특정 위치에 위치 설정하는 것을 보조한다. 따라서, 탄성 외부 튜브(202)를 구비함으로써, 수증기 증류 장치(100) 내부에 있어서 열교환기(200)의 설치를 용이하게 할 수 있다.
계속, 도 2b 내지 도 2c를 참조하면, 외부 튜브(202) 재료의 탄성도는 벽 두께에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 두꺼운 벽 두께를 가지는 튜브는 낮은 가요성을 가진다. 그러나, 더 두꺼운 벽이 더 큰 열전달 저항을 가지기 때문에 벽 두께가 두꺼워질수록 튜브의 열 특성은 향상될 수도 있다. 또한, 튜브의 벽 두께는 튜브 내부의 원수에 의해 생성되는 내압을 견딜 만큼 충분하여야 한다. 그러나, 튜브의 벽 두께가 증가되면, 탄성은 감소되고 열교환기 조립체의 치수가 증가된다. 두꺼운 벽으로 이루어진 튜브는 더 큰 굴곡 반경을 필요로 하고 이는 열교환기(200)의 설치에 영향을 준다. 반대로, 너무 얇은 벽 두께를 가지는 튜브는 설치 중 비틀려지기 쉽다. 이러한 튜브의 비틀림은 외부 튜브(202)를 통한 원수의 유동을 제한하여 열교환기(200) 효율의 저하를 야기할 수도 있다.
외부 튜브(202)의 직경은 복수의 내부 튜브(204)를 내장하는 것이 가능한 임의 직경일 수도 있다. 그러나, 직경이 커지면, 튜브의 가요성이 낮아진다. 가요성의 약간의 감소가 수증기 증류 장치(100) 내부로의 열교환기의 설치에 악영향을 미칠 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 외부 튜브(202)의 직경은 2.54 cm(1 인치)이다. 이러한 직경은 최종 설치 시에 이중관식 열교환기(200)가 증발기/응축기(104) 주위에서 둘러싸이는 것을 가능하게 하고, 생성수 및 배출수를 수송하기 위한 4개의 내부 튜브(204)를 포함한다. 대체 실시예에 있어서, 열교환기는 2개 정도로 작은 개수의 내부 튜브(204)를 가질 수도 있다. 유사하게, 다른 실시예에 있어서, 열교환기는 4개의 내부 튜브(204)보다 많은 내부 튜브를 가질 수도 있다.
이후, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 내부 튜브(204)는 원수, 생성수 및 배출수에 대해 별도의 유동 경로를 제공할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 이들 튜브는 생성수 및 배출수를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에 있어서는, 내부 튜브는 추가의 유체 흐름을 포함할 수도 있다. 내부 튜브(204)는 오염된 건강에 해로운 원수 및 배출수로부터 정수 및 안전한 생성수를 분리시킨다. 예시적인 실시예에 있어서, 생성수를 위한 3개의 내부 튜브(204) 및 배출을 위한 1개의 내부 튜브(204)가 존재한다. 원수는 열교환기(200)의 외부 튜브(202) 내부에서 이동한다. 다양한 다른 실시예에 있어서, 내부 튜브의 개수는 변화하며, 즉 더 많은 수의 내부 튜브가 포함될 수도 있고, 더 작은 수의 내부 튜브가 포함될 수도 있다.
계속, 도 2a 및 도 2d를 참조하면, 내부 튜브(204)는 튜브 벽을 통해 열 에너지를 전도한다. 열 에너지는 내부 튜브(204) 내부의 고온의 생성수 및 배출수로부터 튜브 벽을 통해 저온의 원수로 흐르게 된다. 따라서, 양호하게는 내부 튜브(204)는 높은 열 전도성을 가지는 재료로 이루어지며, 추가로 내부식성을 가지는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 내부 튜브(204)는 구리로 제조된다. 내부 튜브(204)는 높은 열 전도성 및 내부식성의 특성을 가지는 점을 만족하는 황동 또는 티타늄과 같은 다른 재료로 제조될 수도 있다. 해수와 같이 원수 및 배출수가 농도가 매우 높을 수도 있는 적용 분야에서는, 내부 튜브(204)가 구리-니켈, 티타늄 또는 열전도성 플라스틱으로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
튜브 재료 이외에, 튜브의 직경 및 두께도 열 에너지 전달율에 영향을 줄 수도 있다. 튜브 재료의 벽 두께 증가는 열 전달에 대한 저항도 증가시키기 때문에, 내부 튜브(204)의 벽 두께가 커지면, 열 효율은 감소할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 내부 튜브(204)는 0.635 cm(0.25 인치)의 외경을 가진다. 얇은 벽 두께는 열 전달율을 증가시키지만, 벽 두께는 비틀림 없이 형성되거나 형상화되기에 충분하여야만 한다. 얇은 벽으로 이루어진 튜브는 형성 중에 비틀리거나, 죄이거나, 붕괴되기 쉽다. 또한, 내부 튜브(204)의 벽 두께는 튜브를 통과하는 물에 의해 생성되는 내압을 견디기에 충분하여야 한다.
계속, 도 2a 및 도 2d를 참조하면, 내부 튜브(204)의 열 전달율을 향상시키기 위한 또 다른 방법으로서 열 전달을 향상시키기 위해 내부 튜브 상에 연장된 표면 및 동일하지 않은 내부 튜브 직경[핀(fin), 핀(pin), 리브...]을 포함할 수도 있다. 또한, 외부 튜브(202)는 원수의 흐름에 있어서 난류(turbulence)를 야기하는 조직 내부 면(textured interior surface)을 가질 수도 있다. 열 전달율은 조직 면이 튜브(202) 내부에 난류 흐름을 생성하기 때문에 증가된다. 난류는 열 전달이 발생할 때 내부 튜브(204)의 외부면과 접촉하는 물의 양을 증가시킨다. 반대로, 조직 면이 없는 경우, 물은 층류 형태로 흐를 수도 있다. 이러한 층류는 제한된 양의 물만이 내부 튜브(204)의 외부 면과 접촉하는 것을 허용할 것이다. 내부 튜브(204)와 접촉하지 않고 남아있는 물은 내부 튜브 근처 물과 남아있는 물 사이의 대류 열 전달이 내부 튜브(204)의 외부 면 근처에서의 열 전달만큼 효율적이지 않기 때문에 열 에너지를 적게 받아들인다. 조직 면의 몇몇 예로서, 딤플(dimple), 핀(fin), 범프 또는 홈을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 있어서는 쉘 측 유동 속도를 증가시키기 위해 수축되어 외부 튜브에 끼워 맞춤되고, 이에 의해 열 전달이 향상된다.
이하에서, 도 2e를 참조하면, 대개 내부 튜브(204)는 서로 평행하게 위치 설정된다. 그러나, 몇몇 실시예에 있어서는, 내부 튜브(204)는 함께 꼬이거나 엉켜서 도 2f 내지 도 2g에 도시된 바와 같이 나선형 또는 실질적으로 나선형 형상을 가지게 된다. 나선형 형상은 내부 튜브(204)의 길이가 평행 배열의 내부 튜브(204)보다 길기 때문에 열 전달 표면적의 양을 증가시킨다. 증가된 표면적은 열전달을 위한 더 큰 영역을 제공하므로, 열교환기(200)의 효율을 증가시킨다. 또한, 나선형 형상은 외부 튜브(202) 내부의 원수의 난류 흐름을 야기할 수도 있고, 이는 전술된 바와 같이 연 전달 효율을 향상시킨다. 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기(200)는 도 2h 내지 도 2i에 도시된 나선형 형상으로 배열된 4 개의 내부 튜브(204)를 가진다.
이중관식 열교환기(200)의 전체 길이는 원하는 장치 효율에 의해 좌우된다. 길이가 긴 열교환기(200)는 더 좋은 효율을 낸다. 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기(200)는 대략 1524 cm(50 피트)의 길이를 가진다. 이러한 길이는 대략 90%의 효율을 낸다. 다르게는, 762 cm(25 피트)의 길이는 대략 84%의 효율을 낸다.
이후, 도 2, 도 2j 및 도 2k를 참조하면, 열교환기 조립체(200)는 또한 열교환기(200)의 어느 한 쪽 단부에 커넥터(206)를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기(200)는 조립체의 어느 한 쪽 단부에 위치되는 두 개의 커넥터를 가진다. 외부 튜브(202)를 따르는 이들 커넥터(206)는 원수를 내장하는 내부 캐비티를 형성한다. 또한, 커넥터는 내부 튜브(204)의 단부에 부착되고 생성수 및 배출수가 열교환기(200)에 진입하거나 그리고/또는 빠져나오는 별도의 유체 경로를 제공한다. 커넥터(206)는 열교환기 조립체가 증발기/응축기 및 다른 장치 부품에 기계적으로 연결되는 것을 허용한다. 몇몇 실시예에서는, 열교환기(200)에 대하여 물을 제거 또는 공급하는 추가 포트를 제공하기 위해 연장부(207)가 열교환기(200) 내부에 포함될 수도 있다.
이후, 도 2l 내지 도 2o를 참조하면, 이들 도면은 커넥터(208)를 통과하는 3개의 내부 튜브(204)를 가지는 열교환기(200)의 대체 실시예를 도시하고 있다. 커넥터(208)는 외부 튜브(202) 내측에 원수를 포함하도록 열교환기(200)의 어느 한 쪽 단부에서 내부 튜브(204) 및 외부 튜브(202)에 밀봉 부착된다. O-링이 커넥터(208) 내부에 설치되어 커넥터(208)와 내부 튜브(204) 사이의 경계를 밀봉할 수도 있다. 이러한 형태의 밀봉은 내부 튜브(204)가 커넥터(208)와 독립되어 자유롭게 이동하는 것을 허용할 수도 있다. 또한, 내부 튜브(204)는 도 2n에 도시된 바와 같이 나선형으로 배열될 수도 있다.
도 2p 내지 도 2r를 참조하면, 이들 도면은 열교환기(210)의 대체 실시예를 도시하고 있다. 이들 실시예에 있어서, 열교환기(210)는 금속 판(212) 및 플라스틱 판(214)을 가지는 플레이트식 열교환기가다. 금속 판(212)은 스테인레스 강과 같은 임의의 금속 재료로 제조될 수도 있다. 다른 실시예는 티타늄 또는 금속 합금으로 제조된 판을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 플라스틱 판(214)은 실행할 수 있는 임의의 형태의 플라스틱으로 제조된다. 일 실시예에 있어서, 플레이트식 열교환기(210)는 금속 및 플라스틱 판을 교대로 하여 제조된다. 다른 실시예에 있어서, 금속 판(212)에는 도 2r에 도시된 바와 같이 두 개 이상의 플라스틱 판(214)이 이어질 수도 있다. 플레이트식 열교환기(210)는 이전 판과 동일하거나 상이한 재료로 제조된 판(216)으로 시작 및/또는 종료할 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 판(216)은 금속 또는 플라스틱 재료로 제조될 수도 있다. 금속 판(212)은 도 2r에 도시된 바와 같이 서로에 대해 적재된 두 개의 금속 판으로 구성되어, 유체 유동을 위한 채널을 생성한다.
이후, 도 3을 참조하면, 역류 이중관식 열교환기(200)의 예시적인 실시예는 끼워 맞춤 조립체(300)를 포함할 수도 있다. 끼워 맞춤 조립체는 수증기 증류 장치(100) 내부에서 열교환기(200)의 설치를 지지한다. 또한, 끼워 맞춤 조립체(300)는 열교환기(200)가 유지 보수를 위해 장치로부터 용이하게 연결 해제되는 것을 허용한다. 조립체는 도 3에 도시된 제1 커넥터[302 : 도 2의 커넥터(206)와 동일] 및 제2 커넥터(310)로 구성될 수도 있다. 추가로, 끼워 맞춤 조립체(300)의 단면도로서 도 3a 내지 도 3b를 참조하라.
계속, 도 3을 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 끼워 맞춤 조립체(300)는 황동으로 제조된다. 스테인레스 강, 플라스틱, 구리, 구리 니켈 또는 티타늄을 포함하는 다른 재료가 끼워 맞춤 조립체(300)를 제조하는데 사용될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 설치 목적으로, 끼워 맞춤 조립체가 조립체에 부착되는 튜브와 유사한 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 유사한 재료는 조립체가 땜납 또는 용접 기술을 사용하여 수증기 증류 장치 내부에 설치되는 것을 가능하게 한다. 끼워 맞춤 조립체(300)는 내부식성 및 열 저항성(250 °F)을 가지는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 재료는 조립체가 설치될 때 유체 기밀 연결이 가능한 것이 바람직하다. 해수와 같은 원수 및 배출수가 농도가 매우 높을 수도 있는 적용예에 있어서는, 끼워 맞춤 조립체(300)는 구리-니켈 또는 티타늄으로 제조될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 3을 참조하면, 제1 커넥터(302)는 제1 단부(304) 및 제2 단부(306)를 포함한다. 제1 단부(304)는 도 2 내지 도 2a에 도시된 바와 같이 열교환기(200)에 부착된다. 커넥터는 커넥터(302)의 제1 단부(304)의 외부면에 대해 호스 클램프를 사용하여 외부 튜브(202)를 클램핑함으로써 열교환기(200)에 부착될 수도 있다. 열교환기(200)의 내부 튜브(204)는 또한 제1 단부(304)에서 커넥터(302)에 연결될 수도 있다. 이들 튜브는 커넥터(302)의 열교환기 측에 땜납될 수도 있다. 다른 부착 방법으로서 용접, 프레스 끼워 맞춤, 기계적 클램핑 또는 삽입 몰딩을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 추가로, 끼워 맞춤 조립체(300)의 단면도로서 도 3a 내지 도 3b를 참조하라.
이후, 도 3c를 참조하면, 이러한 실시예에 있어서, 커넥터(302)의 제1 단부(304)는 5개의 포트를 가질 수도 있다. 이들 포트는 도 3d 내지 도 3e에 도시된 바와 같이 서로에 대해 유체 연결될 수도 있다. 이러한 구성은 복수의 생성수 흐름을 단일 흐름으로 통합시킬 수 있다. 생성수의 다중 흐름은 열교환기 내부에 더 많은 생성수가 존재하게 하여 원수로 열 에너지를 제공하기 때문에, 생성수로부터 원수로의 열 전달 양을 증가시킨다. 나머지 포트는 도 3e 내지 도 3f에 도시된 배출수 및 원수용 유체 경로를 분리시켜 제공한다. 대체 실시예는 서로 유체 연결 상태인 임의의 포트를 구비하지 않을 수도 있다.
계속, 도 3c를 참조하면, 커넥터(302)는 제2 커넥터(310)와 정합하는 제2 단부(306)를 구비한다. 이러한 제2 단부(306)는 생성수, 원수 및 배출수용 유동 경로를 제공하는 3개의 포트를 가질 수도 있다. 생성 유동 경로는 연장부(308)를 포함할 수도 있다. 연장부(308)가 정합면(310)보다는 제2 커넥터(310)의 본체 내부의 O-링 홈을 고려하고 있기 때문에, 연장부(308)는 커넥터(302, 310)의 조립을 지지한다. 제2 커넥터(310)의 본체 내부에 O-링 홈을 구비함으로써, 커넥터 조립체를 통한 유동 경로가 중첩하는 밀봉 영역을 갖지 않으면서 서로에 대해 근처로 위치 설정되는 것이 가능하게 된다.
이후, 도 3g 내지 도 3h를 참조하면, 제2 커넥터(310)는 제1 단부(312) 및 제2 단부(314)를 포함한다. 제1 단부(312)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 커넥터(302)와 정합한다. 이러한 단부는 또한 도 3g에 도시된 바와 같이 연장부(316)를 포함한다. 연장부(316)는 O-링 홈이 제1 커넥터(302)의 단부(306)의 표면 내부보다는 제1 커넥터(302)의 본체 내부에 위치되는 것을 허용한다. 또한, 이러한 커넥터는 제1 단부(312) 상에 누설 경로(318)를 구비할 수도 있다. 이러한 경로는 생성수용 포트 주위에 위치되어 원수 또는 생성수가 생성 증기로 진입하는 것을 방지한다. 배출수 및 원수는 생성수의 품질 및 안정성에 영향을 미치는 오염 물질을 포함할 수도 있다. 이러한 누설 경로는 배출수 및 원수가 도 3g 내지 도 3i에 도시된 드레인(320)을 통해 생성 증기로 진입하기보다는 끼워 맞춤부를 떠나게 만든다. 드레인(320)에 추가하여, 예시적인 실시예는 도 3i 내지 도 3j에 도시된 커넥터(310) 내부의 3개의 독립적인 유체 경로를 포함할 수도 있다.
제1 커넥터(302)는 장치의 유용성을 제공하기 위해 마몬(Marmon) 클램프를 사용하여 제2 커넥터(310)에 조립될 수도 있다. 이러한 형태의 클램프는 균등한 체결력뿐만 아니라 연결에 있어서 용이한 연결 해제/재조립을 제공한다. 커넥터를 함께 조립하는 다른 방법으로서는 C-클램프 또는 패스너(즉, 볼트 및 너트)의 사용을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 커넥터(302, 310) 주연부는 끼워 맞춤 조립체(300)의 설치 중에 클램프를 수용하도록, 도 3e 내지 도 3f 및 도 3i 내지 도 3j에 도시된 바와 같이 테이퍼질 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 끼워 맞춤 조립체(300)는 커넥터를 함께 용접 또는 땜납시킴으로써 영구 접합될 수도 있다.
증발 응축기
이후, 도 4 내지 도 4b를 참조하면, 증발 응축기(본 명세서에서 "증발기/응축기"로도 칭함) 조립체(400)의 예시적인 실시예는 천정부 및 바닥부를 가지는 증발기/응축기 챔버(402)로 구성된다. 챔버(402)는 쉘(410), 상부 튜브 시트(414) 및 하부 튜브 시트(412)를 포함할 수도 있다. 유입하는 원수를 유지하기 위한 섬프 조립체(404)가 하부 튜브 시트(412)에 부착된다. 유사하게, 상부 플랜지(406)가 상부 튜브 시트(414)에 부착된다. 이러한 플랜지는 증기 체스트(408, steam chest)를 증발기/응축기 챔버(402)에 연결시킨다. 증발기/응축기 챔버(402) 내부에는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 각각의 로드가 튜브(418)에 의해 둘러싸인 복수의 로드(416)가 존재한다. 튜브(418)는 섬프(404) 및 상부 플랜지(406)와 유체 연결된다. 추가로, 증발기/응축기 조립체(420)의 대체 실시예를 도시한 도 4c를 참조하라.
이후, 도 5를 참조하면, 섬프 조립체[500, 도 4에서 도면 부호(404)와 동일]는 상부 하우징(502), 하부 하우징(504), 드레인 끼워 맞춤부(506), 드레인 파이프(508) 및 가열 소자(510)를 포함할 수도 있다. 또한, 섬프 조립체(500)의 확대도를 도시한 도 5a 및 상부 하우징(502)의 상세도를 도시한 도 6을 참조하라. 섬프 조립체(500)는 원수를 내장 및 가열하고, 원수에 의해 반송된 미립자를 수집한다. 원수가 유체로부터 증기로 상태가 변할 때, 미립자는 뒤에 남아 섬프 조립체(500)에서 수집된다.
계속, 도 5 내지 도 5a를 참조하면, 섬프 조립체(500)는 내부식 및 고온에 대한 저항성을 가지는 재료로 만들어질 수도 있다. 섬프는 높은 온도, 습도 및 부식성의 원수에 노출되기 때문에, 내부식성 재료가 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 섬프는 스테인레스 강으로 제조된다. 대체 실시예에 있어서, 섬프는 가열 소자(510)를 부착하기 위한 대체 구성과 연계하여 등록상표 "RADEL" 또는 다른 고온 플라스틱으로 제조될 수도 있다. 해수와 같이 원수가 농도가 매우 높은 적용예에 있어서, 섬프 조립체(500)는 티타늄, 구리-니켈, 네이블(naval) 황동 또는 고온 플라스틱으로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 5 내지 도 5a를 참조하면, 원수는 섬프 조립체(500)의 가열 소자(510)를 사용하여 가열될 수도 있다. 가열 소자(510)는 수증기 증류 장치(100)의 초기 기동 동안에 원수의 온도를 증가시킨다. 이러한 소자는 추가 열 에너지를 제공하여 원수가 유체로부터 증기로 변화되게 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 가열 소자는 120볼트/1200와트의 저항 소자 전기 히터일 수도 있다.
계속, 도 5 내지 도 5a를 참조하면, 섬프 조립체(500)는 미립자의 수집을 보조하기 위해 경사진 하부면을 가지는 바닥 하우징(504)을 포함할 수도 있다. 바닥 하우징(504)은 하우징의 일 영역에서 미립자를 수집하기에 충분한 임의의 각도를 가질 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 바닥 하우징(504)은 17도로 경사진 하부면을 가진다. 다른 실시예에 있어서, 바닥 하우징(504)은 평편한 바닥을 가질 수도 있다.
계속, 도 5 내지 도 5a를 참조하면, 예시적인 실시예는 드레인 끼워 맞춤부(506) 및 드레인 파이프(508)를 포함하는 드레인 조립체를 포함할 수도 있다. 드레인 조립체는 증발기/응축기의 증발기 영역 내측으로의 접근을 제공하여, 장치를 조립 해제할 필요없이 축적된 미립자를 제거한다. 드레인 조립체는 섬프 바닥부 근처에 위치되어 증발기/응축기 내측 튜브 상에서의 스케일링(scaling : 미립자의 축적)을 감소시킬 수도 있다. 스케일링은 섬프 조립체(500) 내의 스케일(scale)의 주기적인 제거를 행함으로써 방지된다. 섬프 조립체(500) 내에 미립자가 작아질수록 미립자가 증발기/응축기 튜브 내부로 유입할 가능성은 감소된다. 예시적인 실시예에 있어서, 드레인 조립체는 바닥 하우징(504)의 경사진 하부면으로부터 미립자를 수용하도록 위치 설정된다. 드레인 조립체는 바닥 하우징(504)에 부착될 수도 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있으며, 내부식성 및 열 저항성을 가진다. 예시적인 실시예에 있어서, 드레인 끼워 맞춤부(506)는 스테인레스 강으로 제조된 플랜지식 위생 끼워 맞춤부(flanged sanitary fitting)이다.
계속, 도 5 내지 도 5a를 참조하면, 드레인 파이프(508)가 드레인 끼워 맞춤부(506)에 부착될 수도 있다. 드레인 파이프(508)는 미립자가 드레인 끼워 맞춤부(506)로부터 증발기/응축기 조립체(400) 외부로 이동하는 유체 경로를 제공한다. 드레인 파이프(508)는 내부식성 및 내열성을 가지는 재료를 선호하여 드레인 끼워 맞춤부(506)에 부착 가능한 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 드레인 파이프(508)는 스테인레스 강으로 제조된다. 드레인 파이프(508)의 직경은 섬프 조립체(500)로부터 미립자를 제거하기에 충분한 것이 바람직하다. 섬프 조립체(500)를 배수시키면서 드레인 파이프(508)가 미립자에 의해 막힐 가능성이 작아지기 때문에, 큰 직경의 파이프가 바람직하다.
이후, 도 7을 참조하면, 증발기/응축기 챔버[700 : 도 4의 도면 부호(402)와 동일]의 예시적인 실시예는 쉘[702 : 도 4a 내지 도 4b의 도면 부호(410)와 동일], 하부 플랜지[704 : 도 5의 도면 부호(502) 및 도 6의 도면 부호(600)와 동일], 하부 튜브 시트[706 : 도 4a 내지 도 4b의 도면 부호(412)와 동일], 복수의 타이 로드(708), 복수의 튜브[710 : 도 4a 내지 도 4b의 도면 부호(418)와 동일], 상부 플랜지[712 : 도 4의 도면 부호(406)와 동일] 및 상부 튜브 시트[714 : 도 4a 내지 도 4b의 도면 부호(414)와 동일]를 포함할 수도 있다. 추가로, 증발기/응축기 챔버(700)의 조립도를 도시한 도 7a를 참조하라.
계속, 도 7을 참조하면, 쉘(702)은 열 에너지가 고온 증기로부터 원수로 전달되는 내부 캐비티를 형성한다. 이러한 열 전달은 원수의 유체로부터 증기로의 상 변화를 지지한다. 또한, 열 전달은 유입하는 증기를 응축시켜 생성수를 만든다. 쉘(702)은 충분한 내부식성 및 강도 특성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 쉘(702)은 유리 섬유로 제조된다. 쉘은 원하는 개수의 튜브(710)를 내장하기에 충분한 내경을 가지는 것이 바람직하다. 쉘의 내부 캐비티 내부에는 챔버로 유입하는 고압 증기로부터 튜브(710) 내부의 원수로 열 에너지를 전달하기 위한 표면적을 가지는 복수의 튜브(710)가 존재한다.
계속, 도 7을 참조하면, 증발기/응축기 챔버(700)는 고압 증기의 응축을 위한 내부 캐비티를 형성한다. 튜브 외부면 상에서 증기가 응축함에 따라, 열 에너지를 고압 증기로부터 튜브 내부의 원수로 전달하는 복수의 튜브(710)가 이러한 캐비티 내부에 존재한다. 튜브 벽을 통한 열 전달은, 그 내용이 본 명세서에서 참조되고 발명의 명칭이 "상 변화 개량을 위한 방법 및 장치"인 2005년 8월 25일 공개된 미국 특허출원 공개 제US2005/0183832 A1호에 개시된 바와 같이, 소위 박막 증발로 칭하는 프로세스를 통해 원수에 대하여 상 변화가 이루어지게 한다.
계속, 도 7을 참조하면, 증발기/응축기의 튜브(710)에 있어서는, 튜브(710)의 내부면과 접촉하는 박막을 포함하는 외부면을 구비한 테일러(Taylor) 기포가 발달될 수도 있다. 테일러 기포는 튜브 내에서 상승함에 따라 가열되어, 박막 내의 유체는 기포 내부에서 증기로 변환된다.
이후, 도 7b를 참조하면, 증발기는 대개 두 가지 모드, 즉 풀비등(pool boiling) 모드 또는 박막 모드 중 하나로 작동할 수가 있다. 박막 비등(thin film boiling)에 있어서, 유체 박막이 튜브의 내부벽 상에 생성되고, 이는 튜브 벽으로부터 유체 자유면으로의 열 전달을 용이하게 한다. 상 변화 효율은 대개 풀비등 모드와 비교하여 박막 모드에서 증가한다. 도 7b는 대표적인 증발기의 유사 조건 하에서 풀비등 및 박막 비등에 대한 응축기 압력 함수로서 증류 생성률의 차이를 도시하고 있다. 바닥 곡선(70)은 풀비등에 대응하는 반면, 중간 곡선(75)은 박막 비등에 대응한다. 두 개의 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 박막 비등 모드는 풀비등 모드보다 현저하게 높은 효율을 제공하고 있다. 그러나, 박막 비등은 풀비등보다 유지하기가 더 어렵다. 박막 증발은 대개 매우 작은 개구를 포함하는 장치를 사용하여 달성된다. 이러한 장치는 특히 원수 유체가 오염 물질을 포함하는 경우 쉽게 막히게 될 수도 있다. 추가로, 박막 모드에 있어서, 수위는 대개 수직 튜브형 증발기에 있어서 튜브 천정부 위로 약간의 여유만을 두고 유지된다. 이러한 이유 때문에, 장치는 또한 장치의 이동 및 위치 설정에 대해서 민감할 수도 있다.
도 7을 다시 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 튜브(710)는 1.905 cm(0.75 인치)의 외경을 가지고 구리로 제조될 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 튜브(710)는 니켈 구리 또는 다른 복합 재료를 포함하는 기타 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 다른 실시예에 있어서, 튜브의 직경은 상이할 수, 즉 작거나 클 수도 있다. 원수가 해수가 될 수가 있는 가능 적용예에 있어서, 튜브(710)는 구리-니켈 또는 티타늄 재료로 제조될 수도 있다. 이들 재료는 염수와 같이, 매우 농도가 높은 원수에 노출되는 경우 튜브의 열 전달 특성을 유지시키기 위해 높은 내부식성을 가진다. 튜브(710)의 직경은 또한 다수의 변수에 따라 변화할 수도 있다. 튜브(710)의 직경은 쉘(702)의 내경 및 원하는 열전달 효율의 양에 의해 제한될 수도 있다. 다른 제약은 서비스 가능성일 수가 있다. 감소된 직경이 튜브 벽의 내부면으로의 접근을 규제하기 때문에, 작은 직경은 스케일을 제거하기가 더 어렵다. 튜브(710)의 길이는 쉘(702) 및 튜브 시트(706, 714)의 두께에 의해 형성되는 내부 캐비티의 길이에 의해 결정될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 튜브(710)는 튜브 시트의 단부를 넘어 하부 플랜지(704) 및 상부 플랜지(712) 내부로 연장한다.
이후, 도 8을 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 튜브[800 : 도 7a 내지 도 7b의 도면 부호(710)와 동일]는 각 단부 근처에 비드(802)를 가진다. 비드(802)는 튜브(800)가 하부 튜브 시트(706) 및 상부 튜브 시트(714) 내의 구멍을 통해 미끄러지는 것을 방지시킨다.
이후, 도 9를 참조하면, 증발기/응축기 튜브(904) 내부에 패킹을 제공함으로써 향상된 상 변화 작동 효율이 달성될 수도 있다. 이러한 패킹을 도입함으로써 유체와 패킹 및 튜브(904) 사이의 상호 작용에 기인하여 증발기가 박막 모드의 특성 중 일부를 취하는 것을 가능하게 할 수가 있다. 패킹은 재료가 튜브 내부 벽 근처의 체적에 비해 튜브 종축 근처 튜브(904) 체적을 우선하여 채우도록 하는 형상을 가지는 임의의 재료일 수도 있다. 이러한 패킹 재료는 효율적인 열 교환을 위해 튜브 벽 근처에 증기가 집중되게 하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 있어서, 패킹은 로드(902)를 포함할 수도 있다. 각각의 로드(902)는 원통형 또는 직사각형 형상을 포함하는 임의의 단면 형상을 가질 수도 있다. 각각의 패킹 로드(902)의 단면적은 튜브의 단면 내부에 끼워 맞춤하게 되는 임의의 면적일 수 있다. 각각의 로드(902)의 단면적은 로드 길이에 따라 변화할 수도 있다. 소정 로드(902)는 소정 증발기 튜브(904) 또는 임의의 그 부분 집합의 길이를 연장시킬 수도 있다. 로드 재료는 소수성으로서 반복되는 열 사이클을 수행할 수 있는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 로드(902)는 등록상표 "RYTON" 충전 유리 섬유 또는 폴리프로필렌 충전 유리 섬유로 제조된다.
계속, 도 9를 참조하면, 각각의 로드(902)는 우선적으로 튜브의 상부 부분을 포함하는, 튜브(904) 내부의 임의의 장소에 위치 설정된다. 일 특정 실시예에 있어서, 각각의 로드는 대략 해당 튜브 길이의 반이고, 대략 튜브의 상부 반부에 위치 설정된다. 도 7b의 상부 곡선(80)은 증발기 튜브가 튜브의 대략 상부 반부에 패킹 재료를 포함하는 견본 증발기에 대한 박막 비등의 비등 효율에 있어서의 증가를 도시하고 있다. 이러한 패킹으로서, 상 변화 효율 역시 튜브 위의 유체 레벨, 수직에 대한 튜브의 배향, 튜브에 대한 공급 압력 및 증발기에 대한 다른 작동 변수에 대해서 훨씬 덜 민감하게 되는 장점을 가진다. 예시적인 실시예에 있어서, 로드(902)는 튜브(904)와 대략 동일한 길이를 가진다.
이후, 도 9a를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 로드(902)는 중심으로부터 벗어나 로드(902)의 종축을 따라 연장하는 복수의 부재(906)를 구비할 수도 있다. 이들 부재(906)는 로드(902)를 튜브(904) 중심 내부로 유지시켜서, 원수에 대해 가장 효율적인 유동 경로를 생성한다. 임의의 개수의 부재가 사용될 수도 있지만, 로드(902)를 튜브(904) 중심 내에 유지시키기에 충분한 개수로 존재하는 것이 바람직하다. 대체 실시예에 있어서, 로드(902)는 부재(906)를 구비하고 있지 않을 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 로드(902)를 튜브(904) 내부에 위치 설정시키는 핀의 설치를 지지하도록 로드(902) 내부의 와이어 또는 크로스 드릴링 구멍 속에 로드(902)가 감싸지게 함으로써, 로드(902)는 튜브(904) 내부의 적절한 위치에서 유지될 수도 있다.
도 7을 다시 참조하면, 튜브[710 : 도 8의 도면 부호(800) 및 도 9의 도면 부호(904)와 동일]는 한 쌍의 튜브 시트(706, 714)에 의해 적절한 위치에 고정된다. 이들 시트는 타이 로드(708)를 사용하여 쉘(702)의 각 단부에 고정된다. 튜브 시트(706, 714)는 원수가 튜브(710)에 대해 진입하고 빠져나오는 경로를 제공하는 복수의 구멍을 구비한다. 튜브(710)가 챔버(700) 내부에 설치되는 경우, 튜브 시트(706, 714) 내부의 구멍은 튜브(710)의 단부를 수용하게 된다. 하부 튜브 시트[706 : 도 10의 도면 부호(1002)와 동일]는 쉘(702)의 바닥부에 부착된다. 하부 튜브 시트의 상세도로서 도 10을 참조하라. 상부 튜브 시트[714 : 도 10a의 도면 부호(1004)와 동일]는 쉘(702)의 천정부에 부착된다. 상부 튜브 시트의 상세도로서 도 10a를 참조하라. 상부 튜브 시트(714)가 시트 중심에 위치되는 추가 구멍을 가지는 점을 제외하고는 양 튜브 시트는 유사한 치수를 가진다. 이러한 구멍은 고압 증기가 증발기/응축기 챔버(700)로 유입하는 개구를 제공한다.
계속, 도 7을 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 상부 튜브 시트(714) 및 하부 튜브 시트(706)는 등록상표 "RADEL"로 제조될 수도 있다. 이러한 재료는 낮은 크리프(creep), 가수 분해 안정성, 열적 안정성 및 낮은 열 전도성을 가진다. 또한, 등록상표 "RADEL"로 제조된 튜브 시트는 기계 또는 사출 성형에 의해 형성될 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 튜브 시트는 G10을 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 7을 참조하면, 튜브(710)를 수용하기 위한 튜브 시트(706, 714) 내부의 복수의 구멍의 크기는 튜브(710)의 외경에 의해 좌우된다. 이들 구멍은 튜브(710)의 단부를 수용하기에 충분하여야만 하고 또한 밀봉부를 포함한다. 대개, O-링 홈이 튜브 시트 내부에 제공되어 O-링을 수용한다. 이러한 O-링은 내부 튜브(710)와 튜브 시트(706, 714) 사이의 방수 밀봉을 제공한다. 또한, 이러한 형태의 밀봉은 구성을 간단하게 하고, 증발기/응축기 내부의 다른 재료의 사용을 용이하게 하고, 튜브(710)가 반복되는 열 사이클 중에 이동하는 것을 가능하게 한다. 이러한 밀봉은 생성수가 도 5의 섬프(500)로 진입하거나 원수가 챔버(700)로 진입하는 것을 방지시킨다. 대체 실시예에 있어서, 튜브(710)는 튜브 시트 재료에 따라 땜납, 용접, 프레스 끼워 맞춤, 본딩(즉, 실리콘, RTV, 에폭시...), 납땜 또는 스웨이징(swaging) 방법을 사용함으로써 튜브 시트(706, 714)의 구멍 내부에 설치될 수도 있지만, 이러한 방법에 한정되는 것은 아니다.
이후, 도 10을 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, O-링 홈은 튜브 시트(1002, 1004) 내에서 다양한 깊이로 위치된다. O-링 홈의 상이한 깊이는 O-링 홈이 인접 튜브로부터 서로 중첩하지 않게 되기 때문에, 튜브(710)가 함께 더 근접하여 위치 설정되는 것을 가능하게 한다. O-링 홈이 중첩하는 경우 충분한 밀봉을 제공하지 못하고, 따라서 각각의 O-링 홈은 튜브 시트 내부에서 다른 O-링 홈에 대해 독립적이어야만 한다. O-링 홈의 위치를 튜브 시트 내부에서 상이한 깊이로 변화시키는 결과로서, 인접하는 O-링 홈이 서로 중첩하지 않게 되고, 이는 튜브가 함께 근접하여 위치 설정되는 것을 가능하게 한다. 이와 같이, 튜브(710)가 서로 근접하여 위치되게 함으로써, 더 많은 튜브가 증발기/응축기 챔버(700) 내부에 위치 설정되는 것이 가능하게 된다.
다시, 도 7을 참조하면, 튜브 시트(706, 714)는 또한 타이 로드(708)를 사용하여 하부 플랜지(704) 및 상부 플랜지(712)에 고정된다. 하부 플랜지[704 : 도 5의 도면 부호(502) 및 도 6의 도면 부호(600)와 동일]는 도 5의 섬프(500)를 도 7의 증발기/응축기 챔버(700)에 연결시킨다. 또한, 하부 플랜지(704)는 섬프 내부의 원수에 대하여 하부 튜브 시트(706) 상에 위치 설정되는 튜브(710) 입구로의 유체 연결을 제공한다. 하부 플랜지(704)는 그 높이가 튜브(710)로 진입하는 원수의 균등한 분배를 허용하기에 충분하여야된다는 점을 만족하는 임의의 높이를 가질 수도 있다. 대개 2.54 내지 5.08 cm(1 내지 2 인치)의 높이를 가지는 플랜지는 튜브(710)로의 원수의 균등한 분배를 제공한다. 대체 실시예에 있어서, 플랜지의 높이는 미립자를 수집하는 섬프 용량을 증가시키기 위해 더 높아질 수도 있다.
계속, 도 7을 참조하면, 상부 플랜지[712 : 도 11의 도면 부호(1100)와 동일]는 도 4의 증기 체스트(408)와 튜브(710)의 출구 사이에 유체 연결을 제공한다. 또한, 상부 플랜지(712)는 증기가 증기 체스트(408)를 통과하는 경우 저압 증기로부터 제거된 원수를 수집한다. 이어서, 이러한 물은 도 11의 상부 플랜지(1100)의 측면 내부에 위치된 배출 포트(1102)를 통해 장치 밖으로 이동된다.
계속, 도 7을 참조하면, 하부 플랜지(704) 및 상부 플랜지(712)는 충분한 구조 강도, 내부식성 및 온도 저항성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 플랜지는 등록상표 "RADEL"로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 플랜지는 니켈 도금 알루미늄으로 제조될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 하부 플랜지는 스테인레스 강, 티타늄 및 구리-니켈을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7 내지 도 7a를 참조하면, 타이 로드(708)를 수용하기 위한 복수의 구멍이 상부 플랜지(712) 및 하부 플랜지(704)의 외부 에지부 근처에 위치된다. 이들 로드는 쉘(702)의 외주연을 따라 동심으로 볼트 원(bolt circle) 상에 축 방향으로 위치 설정된다. 타이 로드(708)의 길이는 쉘(702)의 길이 그리고 하부 튜브 시트(706), 하부 플랜지(704), 상부 플랜지(712) 및 상부 튜브 시트(714)의 두께에 의해 좌우된다. 타이 로드(708)는 로드의 각 단부 상에 나사식 패스너를 부착하기 위한 나사식 단부를 구비하여 증발기/응축기의 부품을 함께 고정시킬 수도 있다. 또한, 타이 로드(708)는 스테인레스 강과 같이 목적에 맞게 충분한 강도를 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 타이 로드(708)는 청동, 티타늄, 유리 섬유 복합재 및 탄소 강을 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시예에 있어서, 타이 로드(708)는 장치 수용을 위한 편평면을 제공하도록 각 단부 근처에 기계 가공된 편평부를 가져셔, 설치 중에 로드를 적절한 위치로 유지시킬 수도 있다.
이후, 도 12 내지 도 12c를 참조하면, 증기 체스트[1200 : 도 4의 도면 부호(408)와 동일]가 상부 플랜지[1100 : 도 7의 도면 부호(712)와 동일]에 연결될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 증기 체스트(1200)는 기부(1202), 증기 분리기 조립체(1204), 캡(1206) 및 증기 튜브(1208)를 포함할 수도 있다. 기부(1202)는 증발기/응축기 챔버(700)의 증발기 영역의 튜브(710) 내부에 생성된 저압 증기를 수용하기 위한 내부 캐비티를 형성한다. 기부(1202)는 증기 내에 포함된 물방울이 분리되는 것을 허용하는 충분한 공간이 존재하도록 하는 임의의 높이를 가질 수도 있다. 이러한 증기 체스트의 높이는 증기에 의해 반송되고 증기 기포의 급격한 해제에 의해 튜브(710)의 출구로부터 강제적으로 배출된 물방울이 감속되어 상부 플랜지[712 : 도 11의 도면 부호(1100)와 동일]를 향해 다시 낙하하는 것을 가능하게 한다.
계속, 도 12 내지 도 12c를 참조하면, 증기 분리기 조립체(1204)는 기부(1202) 내부에 존재할 수도 있다. 이러한 조립체는 바스켓과 그물 망(도 12 내지 도 12c에서는 도시 생략)으로 구성된다. 바스켓은 다량의 와이어 그물을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 증기 분리기 조립체(1204)는 증기를 와이어 그물 층을 통해 조작함으로써 유입하는 저압 증기로부터 물방울을 제거한다. 증기가 그물을 통과함에 따라, 물방울은 그물 표면에 수집되기 시작한다. 이들 액적은 오염 물질 또는 미립자를 포함할 수도 있다. 액적의 크기가 증가함에 따라, 물은 바스켓의 바닥으로 낙하한다. 복수의 구멍이 바스켓의 바닥에 위치될 수도 있고, 이는 물이 상부 플랜지(712) 내부에 수집되는 것을 허용한다. 또한, 이들 구멍은 저압 증기가 증기 분리기 조립체(1204)로 진입하는 유체 경로를 제공한다. 또한, 와이어 그물은 증발기/응축기의 상부 플랜지(712) 내부에 위치되는 튀어오르는 배출수에 대한 차단부를 제공한다.
계속, 도 12 내지 도 12c를 참조하면, 대체 실시예에 있어서, 증기 분리기 조립체(1204)는 증기가 각각의 판을 통해서나 주위를 통과함에 따라 저압 수증기로부터 물방울을 수집하는 일련의 판을 포함할 수도 있다. 판은 증기를 조작하여 물방울이 판 상에 수집되게 한다. 판이 증기 유동 경로에 있어서 날카로운 굴곡부를 생성하도록 배열되기 때문에, 물은 조립체에 수집된다. 이들 굴곡부는 증기의 방향을 변화시키고 속도를 감소시킨다. 물방울은 모멘텀에 기인하여 그 초기 궤적을 따라 연속할 수도 있다. 이어서 액적은 액적이 수집되는 조립체의 벽 또는 판에 충격을 가할 수도 있다. 충분한 액적이 조립체의 벽 또는 판 상에 수집되는 경우, 물방울은 증발기/응축기의 상부 플랜지(406)를 향해 낙하할 수도 있다.
계속, 도 12 내지 도 12c를 참조하면, 기부(1202)는 또한 관찰 창(1210)을 구비할 수도 있다. 이러한 창은 장치 조작자가 증기 체스트 내부를 시각적으로 관찰하여 장치가 적절하게 기능하고 있는지 여부를 판단하는 것을 가능하게 한다. 다른 실시예에 있어서, 증기 체스트(1200)는 관찰 창(1210)을 포함하지 않을 수도 있다. 이러한 대체 실시예가 도 12d에 도시되어 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 창의 크기 및 형상은 변화될 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 증기 체스트는 다중 창을 포함할 수도 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 증기 분리기 조립체는 스테인레스 강으로 제조될 수도 있다. 그러나, 이들 재료가 내부식성 및 고온 저항성을 가지는 점을 만족하는 다른 재료가 사용될 수도 있다. 다른 형태의 재료로는 등록상표 "RADEL," 티타늄, 구리-니켈, 도금 알루미늄, 섬유 복합재 및 고온 플라스틱을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 12 내지 도 12c를 참조하면, 캡(1206)이 기부(1202)에 부착된다. 캡 및 기부는 물을 저압 증기로부터 분리하기 위한 내부 캐비티를 형성한다. 또한, 캡(1206)은 도 12b, 도 12e 및 도 12f에 도시된, 두 개의 포트, 출구 포트(1211) 및 입구 포트(1212)를 구비할 수도 있다. 출구 포트는 건조 저압 증기가 증기 체스트(1200)를 빠져나가는 유체 경로를 제공한다. 예시적인 실시예에 있어서, 포트를 증발기/응축기의 튜브(710)의 출구로부터 멀리 위치시키면 증기의 건조가 촉진되기 때문에, 출구 포트(1211)는 캡(1206)의 천정면 근처에 위치하게 된다. 그러나, 대체 실시예에 있어서, 출구 포트(1211)는 캡(1206) 내부에서 다른 위치를 가질 수도 있다. 유사하게, 입구 포트(1212)는 고압 증기가 증기 체스트(1200) 내부의 고압 증기 튜브(1208)로 진입하는 유체 경로를 제공한다. 예시적인 실시예에 있어서, 입구 포트(1212)는 캡(1206)의 천정면 근처에 위치된다. 대체 실시예에 있어서, 입구 포트(1212)는 캡(1206) 내부에서 상이한 위치를 가질 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 캡(1206)은 도금 알루미늄으로 제조된다. 다른 형태의 재료로서 스테인레스 강, 플라스틱, 티타늄 및 구리-니켈을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 포트의 크기는 압축기를 가로지르는 압력 하강에 영향을 미칠 수도 있다.
계속, 도 12 내지 도 12c를 참조하면, 증기 튜브(1208)가 증기 체스트(1200) 내부의 입구 포트(1212)에 연결된다. 이러한 튜브는 고압 증기가 증기 체스트를 통과하고 증발기/응축기 챔버의 응축기 영역으로 진입하는 유체 경로를 제공한다. 증기 튜브(1208)의 내경은 튜브가 재생 송풍기로부터 증발기/응축기 챔버로의 고압 증기의 흐름에 악영향을 미치지 않는 임의의 크기를 가질 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 증기 튜브(1208)는 스테인레스 강으로 제조될 수도 있다. 다른 재료가 증기 튜브(1208)의 제조를 위해 사용될 수도 있지만, 이들 재료는 충분한 내부식성 및 고온 저항성을 가져야만 한다. 이러한 재료로서 도금 알루미늄, 플라스틱, 티타늄 및 구리-니켈을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 해수와 같이, 원수가 높은 농도를 가질 수도 있는 적용예에 있어서, 증기 체스트(1200)는 티타늄, 니켈, 청동, 니켈-구리 및 구리-니켈로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 도 13 내지 도 13c를 참조하면, 증발기/응축기 조립체(1300)의 대체 실시예가 도시된다. 이러한 실시예에 있어서, 증발기/응축기 조립체(1300)는 섬프(1302), 증발기/응축기 챔버(1304), 분무 제거기 조립체(1306), 복수의 타이 리드(1308), 하부 플랜지(1310) 및 상부 플랜지(1312)를 포함한다. 섬프(1302)가 없는 증발기/응축기 조립체의 상세도에 대해서는 도 13d를 참조하라.
이후, 도 13e를 참조하면, 증발기/응축기 챔버는 쉘(1314), 복수의 튜브(1316), 하부 플랜지(1310) 및 상부 플랜지(1312)를 포함할 수도 있다. 증발기/응축기 챔버(1304)는 고압 증기를 응축하기 위한 내부 캐비티를 형성한다. 튜브(1316)는 증기가 튜브(1316)의 외부면 상에서 응축하는 경우 고압 증기로부터 튜브 내부의 원수로 열 에너지를 전달한다. 이러한 실시예에 있어서, 튜브(1316)는 1.905 cm(0.75 인치)의 외경을 가지고 구리로 제조될 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 튜브(1316)는 니켈 구리 또는 다른 복합재를 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 튜브(1316)의 직경은 다수의 변수에 따라 변화할 수도 있다. 튜브의 직경과 관련하여서는 앞선 예시적인 실시예의 설명을 참조하라. 튜브(1316)의 길이는 쉘(1314)에 의해 형성되는 내부 캐비티의 길이와 하부 플랜지(1310) 및 상부 플랜지(1312)의 두께에 의해 결정될 수도 있다.
계속, 도 13e를 참조하면, 튜브(1316)는 도 13b, 도 13c 및 도 13e에 도시된 바와 같이, 하부 플랜지(1310) 및 상부 플랜지(1312)에 의해 쉘(1314)에 의해 형성되는 내부 캐비티 내부에서 지지된다. 각각의 플랜지는 플랜지 센터를 중심으로 축 방향으로 위치되는 복수의 구멍을 가진다. 이들 구멍은 튜브(1316)의 단부를 포함할 수도 있다. 또한, 하부 플랜지(1310) 및 상부 플랜지(1312)는 쉘(1314)을 적절한 위치에 고정하고 섬프(1302) 및 분무 제거기 조립체(1306)로의 경로를 제공한다. 원수가 섬프(1302)를 채움에 따라, 일부 물은 쉘(1314)의 내부 캐비티 내에 위치된 튜브(1316)를 채우기 시작한다. 열 에너지가 튜브(1316) 내의 원수로 전달됨에 따라, 물은 증발하기 시작한다. 원수 수증기는 튜브(1316)를 통해 분무 제거기 조립체(1306)로 이동한다. 증기는 상부 플랜지(1312) 내에 위치된 구멍을 통해 분무 제거기로 진입한다.
계속, 도 13e를 참조하면, 쉘(1314)은 복수의 타이 로드(1308)를 사용하여 하부 플랜지(1310) 및 상부 플랜지(1312)에 고정된다. 이들 타이 로드는 쉘(1314)의 주연부를 중심으로 축방향으로 외측에 위치 설정된다. 또한, 타이 로드(1308)는 분무 제거기(1306)를 상부 플랜지(1312)에 고정시키고 섬프(1302)를 하부 플랜지(1310)에 고정시킨다. 타이 로드의 길이는 쉘(1314)의 길이와 하부 플랜지(1310), 상부 플랜지(1312), 섬프(1302) 및 분무 제거기(1306)의 두께에 의해 좌우된다. 타이 로드(1308)는 나사식 패스너를 로드의 각 단부에 부착시키는 나사식 단부를 가질 수도 있고, 이는 증발기/응축기의 부품을 함께 고정시킨다. 또한, 타이 로드(1308)은 스테인레스 강과 같이 충분한 강도를 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 타이 로드(1308)는 청동, 티타늄, 유리 섬유 복합재 및 탄소 강을 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 13e를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 쉘(1314)은 유리 섬유로 제조된다. 이들 재료가 내부식성, 낮은 열전도성 및 증발기/응축기 조립체(1300)의 작동 중에 형성되는 내압을 견디기에 충분한 구조 강도를 가져야 한다는 점을 만족하는 다른 재료가 사용될 수도 있다. 쉘의 내경 크기에 관한 예시적인 실시예에 대한 설명을 참조하라.
계속, 도 13e를 참조하면, 섬프(1302)는 하부 플랜지(1310)에 연결되고 증발기/응축기 챔버(1304)의 튜브(1316)와 유체 연결된다. 섬프(1302)는 열교환기로부터 유입하는 원수를 수집한다. 원수는 섬프의 측벽 내부에 위치하는 입구 포트를 통해 섬프(1302)로 진입한다. 다른 실시예에 있어서, 입구 포트는 상이한 위치(즉, 바닥)에 위치될 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 섬프(1302)는 복합재인 G10 플라스틱으로 제조된다. 다른 실시예에 있어서, 섬프(1302)는 충분한 내부식성 및 고온 저항성을 가지는 임의의 다른 재료로 제조될 수도 있다. 다른 재료로는 등록상표 "RADEL"인 알루미늄 및 스테인레스 강을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 섬프(1302)는 또한 열 에너지를 원수로 제공하는 가열 소자를 포함할 수도 있다. 이러한 열 에너지는 원수가 유체로부터 증기로 변화하는 것을 돕는다.
이후, 도 14 내지 도 14c를 참조하면, 분무 제거기 조립체[1400 : 도 13의 도면 부호(1306)와 동일]가 상부 플랜지(1312)에 부착된다. 이러한 조립체는 도 14에 도시된 캡(1402), 증기 파이프(1404) 및 분무 분리기(1406)를 포함할 수도 있다. 캡(1402)은 증발기/응축기의 증발기 측으로부터 생성된 저압 증기를 포함한다. 캡(1408)은 도 14a 내지 도 14c에 도시된 바와 같이 3개의 포트(1408, 1410, 1412)를 구비할 수도 있다. 물방울을 제거하기 위한 체적 중 높이와 관련한 예시적적인 실시예의 증기 체스트의 설명을 참조하라. 또한, 캡(1402)은 도 14, 도 14c 및 도 14d에 도시된 분무 분리기(1406)를 포함하는 캐비티를 형성한다.
계속, 도 14 내지 도 14c를 참조하면, 제1 포트(1408)는 증기 파이프(1404)의 제1 단부를 수용하기 위한 것으로, 캡(1402)의 천정면의 중심에 위치될 수도 있다. 이러한 포트는 압축기에 의해 생성된 고압 증기가 증기 파이프(1404)의 제1 단부를 통해 증발기/응축기로 재진입하는 것을 가능하게 한다. 증기 파이프(1404)는 고압 증기가 분무 제거기 조립체(1400)로 진입하는 저압 증기와 혼합하지 않고 분무 제거기 조립체(1400)를 통해 증발기/응축기로 진입하는 유체 경로를 제공한다. 이러한 실시예에 있어서, 증기 파이프(1404)는 스테인레스 강으로 제조된다. 다른 실시예에 있어서, 증기 파이프는 도금 알루미늄, 등록상표 "RADEL," 구리-니켈 및 티타늄을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 증기 파이프(1404)의 길이는 압축기와의 연결 및 전체 분무 제거기 조립체(1400)의 통과를 허용하도록 충분하여야만 한다. 증기 파이프의 제2 단부는 상부 플랜지(1312)의 중심에 위치된 포트 내부에 수용된다. 증기 파이프(1404)의 내경은 압축기를 가로지르는 압력 강하에 영향을 줄 수도 있다. 시스템에 대한 추가 효과는 물방울을 저압 증기로부터 제거시키기 위한 분무 제거기 내부의 유효 체적을 감소시키는 것이다.
계속, 도 14 내지 도 14c를 참조하면, 증기 파이프(1404)는 또한 분무 분리기(1406)를 수용하기 위한 복수의 외부 홈을 구비할 수도 있다. 분무 분리기(1406)는 구멍을 가지는 원형 판이다. 이러한 구멍은 저압 증기가 판을 통과하는 것을 허용한다. 일 실시예에 있어서, 복수의 분무 분리기는 증기 파이프(1404)의 홈 내부에 설치된다. 이들 판은 구멍이 이전 판으로부터 180도가 되도록 위치되도록 배향될 수 있다. 또한, 출구 포트(1410)에 가장 가까운 판은 구멍이 포트로부터 180도가 되도록 배향될 수 있다. 대체 실시예에 있어서, 판은 물방울을 수집하기 위해 판의 천정면 상에 홈을 포함할 수도 있다. 이들 홈은 테이퍼질 수도 있어서, 이는 수집된 물이 판을 벗어나 유동하여 분무 제거기 조립체(1400)의 기부를 향해 낙하하는 것을 가능하게 한다. 분무 분리기(1406)는 한 쌍의 스냅 링 및 웨이브 워셔를 사용하여 증기 파이프(1404)에 고정될 수도 있다.
계속, 도 14 내지 도 14c를 참조하면, 제2 포트(1410)는 캡(1402)의 천정면에 위치될 수 있고, 건조 저압 증기가 분무 분리기 조립체(1400)를 빠져나가는 것을 허용한다. 출구 포트의 크기 및 위치와 관련하여서는 예시적인 실시예에 대한 이전 설명을 참조하라.
계속, 도 14 내지 도 14c를 참조하면, 제3 포트(1412)는 캡(1402)의 측벽 내부에 위치될 수도 있다. 이러한 포트는 저압 증기로부터 제거된 물이 장치를 빠져나가는 것을 허용한다. 포트의 위치는 배출수가 조립체 내부에서의 배출수의 과도한 축적 없이 분무 제거기 조립체(1400)를 빠져나갈 수 있는 높이를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 포트의 높이는 너무 낮지 않은 것이 바람직하지만, 더 바람직하게는 튜브의 출구를 덮는 배출수의 수위를 유지하기에 충분하여야 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 튜브는 포트(1412)에 연결될 수도 있고, 배출수는 장치(100)를 빠져나가기 이전에 레벨 센서 하우징(108) 및 열교환기(102)를 통과할 수도 있다.
계속, 도 14 내지 도 14c를 참조하면, 분무 제거기 조립체(1400)는 충분한 내부식성 및 고온 저항성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 분무 제거기 조립체는 스테인레스 강으로 제조된다. 조립체는 등록상표 "RADEL," 스테인레스 강, 티타늄 및 구리-니켈을 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
압축기
수증기 증류 장치(100)는 압축기(106)를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 압축기는 재생 송풍기이다. 다른 형태의 압축기가 구현될 수도 있지만, 본 출원용으로는, 재생 송풍기가 설명되고 예시적인 실시예를 참조하여 설명된다. 재생 송풍기의 목적은 증발기/응축기의 증발기 영역을 빠져나온 저압 증기를 압축시켜 고압 증기를 생성하는 것이다. 증기의 압력 증가는 증기의 온도를 상승시킨다. 이러한 온도 증가는 고압 증기가 증발기/응축기의 응축기 영역의 튜브 상에서 응축할 때 열 에너지가 유입하는 원수로 전달되기 때문에 바람직하다. 이러한 열 전달은 고압 증기로부터 전달된 열 에너지가 저압 증기를 재생 송풍기로 공급시키기 때문에 중요하다.
저압 증기와 고압 증기의 사이의 압력 변화는 원하는 생성수 출력에 의해 좌우된다. 생성수의 출력은 고압 증기의 유속에 관련된다. 압축기로부터 증발기/응축기의 응축기 영역으로의 고압 증기의 증기 유속이 증기를 수용하는 응축기의 용량보다 큰 경우, 증기는 과열될 수도 있다. 반대로, 증발기/응축기의 증발기 측이 압축기가 압축할 수 있는 것보다 더 많은 증기를 생성하는 경우, 증발기/응축기의 응축기 측은 압축기로부터의 고압 증기의 제한된 유속 때문에 최대 용량으로 작동하지 않을 수도 있다.
이후, 도 15 내지 도 15g를 참조하면, 예시적인 실시예는 증발기/응축기의 증발기 영역으로부터의 저압 증기를 압축하는 재생 송풍기 조립체(1500)를 포함할 수도 있다. 재생 송풍기 조립체(1500)는 도 15c에 도시된 바와 같이 내부 캐비티를 형성하는 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)을 포함한다. 상부 하우징(1502)과 하부 하우징(1504)의 상세도로서 도 15d 내지 도 15g를 참조하라. 임펠러 조립체(1506)는 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)에 의해 형성되는 내부 캐비티 내에 위치된다. 하우징은 등록상표 "RYTON," "ULTEM," 또는 폴리술폰(polysulfon)을 포함하는 다양한 플라스틱으로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다르게는, 하우징은 티타늄, 구리-니켈 및 알루미늄-니켈 청동을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시예에 있어서, 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)은 알루미늄으로 제조된다. 대체 실시예에 있어서, 이들 재료가 고온 저항성, 내부식성을 가지고, 물을 흡수하지 않으며 충분한 구조 강도를 가지는 점을 만족하는 다른 재료가 사용될 수도 있다. 하우징은 임펠러 조립체 및 관련 내부 통로를 수용하기 충분한 크기를 가진다. 또한, 하우징은 송풍기의 2개의 스테이지 사이에서 발생하는 누설을 방지하고 미끄럼 접촉을 회피하기 위해 고정식 하우징과 회전 임펠러 사이에 적절한 간극을 제공하는 것이 바람직하다. 간극에 추가하여, 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)은 서로에 대해 미러 영상(mirror image)일 수도 있다.
이후, 도 15d 내지 도 15f를 참조하면, 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)은 입구 포트(1510) 및 출구 포트(1512)를 구비할 수도 있다. 증발기/응축기로부터의 저압 증기는 입구 포트(1510)를 통해 송풍기 조립체(1500)로 진입한다. 예시적인 실시예에 있어서, 입구 포트는 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504) 내의 환형 유동 채널을 중심으로 나선형 유동을 생성하는 형상을 가진다. 저압 증기를 압축시킨 후에, 고압 증기는 출구 포트(1512)로부터 배출된다. 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)의 입구 포트(1510)와 출구 포트(1512) 사이에는, 송풍기 조립체를 빠져나오는 고압 증기와 조립체로 진입하는 저압 증기의 혼합을 방지하기 위해 간극이 줄어든다. 예시적인 실시예는 스트리퍼(stripper) 판(1516)을 포함할 수도 있다. 이러한 판에 있어서, 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)에 제공되는 개방 유동 채널은 임펠러 블레이드 내부에 있는 고압 증기만이 입구 포트(1510) 근처 영역, 소위 입구 영역을 통과하게 한다.
계속, 도 15d 내지 도 15f를 참조하면, 스트리퍼 판(1516)을 통한 입구 영역으로의 고압 증기의 동반 배출(carryover)은 입구 포트(1510)로부터 송풍기 조립체(1500)로 진입하는 유입 저압 증기와 비가역적으로 혼합될 수 있다. 증기의 혼합은 유입하는 저압 증기의 온도 증가를 야기할 수도 있다. 고압 증기의 동반 배출은 또한 입구 영역에서의 고압 증기의 팽창 때문에 저압 증기의 유입 유동을 차단할 수도 있다. 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504) 내의 감압 덕트(1514)는 임펠러 블레이드 내에 갇힌 압축 증기를 추출하고, 유입하는 저압 증기를 차단하는 입구 영역으로 증기를 배출시킨다.
계속, 도 15d 내지 도 15f를 참조하면, 입구 포트(1510)와 출구 포트(1512) 사이의 거리는 스트리퍼 판(1516)의 크기에 의해 제어된다. 예시적인 실시예에 있어서, 스트리퍼 판 영역은 입구 영역으로의 고압 증기 동반 배출 양을 감소시키고 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504) 내부의 작동 유동 채널을 최대화시키기 위해 최적화된다.
이후, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 샤프트(1514)는 임펠러 조립체(1506) 내부로 가압되고 샤프트(1514)에 의해 지지되는 압축수 공급 베어링(1516)에 의해 지지된다. 이러한 실시예에 있어서, 베어링은 흑연으로 제조될 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 베어링은 테프론 복합재 및 청동 합금을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 압축수 공급 베어링(1516)으로 공급된 물은 송풍기 조립체(1500)의 압축 챔버로 유입할 수도 있을 만큼의 깨끗한 정수인 것이 바람직하다. 물이 압축 챔버로 진입하면, 물은 순증기(pure steam)와 쉽게 혼합되게 된다. 오염된 물이 순증기와 혼합하면 오염된 고압 증기라는 결과를 낳을 것이다. 예시적인 실시예에 있어서, 생성수는 베어링으로 공급된다.
유체 역학식 윤활이 예시적인 실시예의 고속 송풍기 베어링(1516)용으로 요구된다. 유체 역학적 작동에 있어서, 회전 베어링은 윤활제 막 위에 얹혀 움직이고 고정 샤프트와 접촉하지 않는다. 이러한 윤활 모드는 최저 마찰 계수를 제공하고 부품의 물리적인 접촉이 존재하지 않기 때문에 마모가 근본적으로 존재하지 않게 된다.
혼합 막 윤활 및 경계 윤활과 같은 다른 윤활 형태에서의 작동은 유체 역할적 작동보다 많은 동력 손실 및 높은 마모율이라는 결과를 낳는다. 예시적인 실시예에 있어서, 송풍기는 유체 역학식 윤활, 막 윤활 또는 양자의 조합을 가진 상태로 작동할 수도 있다. 회전 베어링과 고정 샤프트 사이의 운전 간극, 베어링의 회전 속도 및 윤활 유체 압력과 유동이 베어링 윤활 모드에 영향을 줄 수도 있다.
도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 유체 역학식 베어링에 있어서 극한 하중 인자는 열 분산 능력에 의해 영향을 받을 수도 있다. 비윤활(또는 경계 윤활) 베어링과 비교하는 경우, 유체 역학식 베어링은 열을 분산시키기 위한 추가 구조를 가진다. 열을 제거하는 유체 역학식 베어링의 가장 효과적인 방법은 윤활 유체가 열 에너지를 멀리 운반해 가는 것을 허용하는 것이다. 예시적인 실시예에 있어서, 베어링 공급수는 베어링(1516)으로부터 열 에너지를 제거한다. 이러한 실시예에 있어서, 베어링을 통해 유동하는 물의 체적은 베어링의 온도를 작동 한계 내로 유지시키기에 충분한 것이 바람직하다. 또한, 직경 간극은 베어링 공급수의 유속을 제어하기 위해 변화될 수도 있지만, 이들 간극은 유체 역학 압력 손실을 생성시키기에 충분할 정도로 크지 않는 것이 바람직하다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 베어링(1516)으로 공급되는 베어링 공급수의 양은 유체 역학식 윤활을 유지하기에 충분한 것이 바람직하다. 베어링 공급수의 약간의 초과는 송풍기 조립체(1500)에 악영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 초과된 물은 고압 증기를 냉각(quench)시켜 장치의 열 효율을 불필요하게 감소시킬 수도 있다. 초과 베어링 공급수의 또 다른 악영향은 초과 베어링 공급수가 임펠러 조립체로부터 외측으로 배출되어 하우징 벽과 통과하는 임펠러 블레이드 사이로 억지로 밀고 들어가는 경우 유체인 물의 전단에 기인한 동력 손실이 있을 수도 있다.
도 15l를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 베어링 공급수용 복귀로(1526)가 송풍기 내부에 제공되어 초과 베어링 공급수가 임펠러 버켓으로 진입하는 것을 방지한다.
다시, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 베어링 공급수 펌프는 압축수 공급 베어링(1516)으로의 입력에 대해 13.79 내지 34.47 kPa(2 내지 5 psi)의 압력을 유지한다. 베어링 공급수의 유속은 일정한 베어링 공급수 압력을 가짐으로써 유지될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 베어링 공급수의 압력은 베어링(1516)으로의 베어링 공급수의 유속을 확보하도록 제어될 수도 있다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 임펠러 조립체는 기계적인 밀봉보다는 마그네틱 드라이브 커플링을 사용하여 모터에 의해 구동될 수도 있다. 기계적인 밀봉의 결여는 서로 접촉하는 이동 부분과 관련된 마찰 손실이 없어지는 결과를 낳는다. 이러한 실시예에 있어서, 마그네틱 구동 커플링은 내부 회전자 자석(1518), 격납 쉘(1520), 외부 자석(1522) 및 구동 모터(1508)를 포함할 수도 있다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 내부 자석 회전자(1518)는 컵 내부에 매설될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 자석은 축 방향으로 위치 설정된다. 다른 실시예에 있어서는, 자석은 반경 방향으로 위치 설정될 수도 있다. 이러한 컵은 플라스틱 또는 금속 재료로 제조될 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 컵 재료는 등록상표 "RYTON," 등록상표 "ULTEM" 및 폴리술폰이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유사하게, 자석은 페라이트, 알루미늄-니켈-코발트, 사마륨 코발트(samarium cobalt) 및 네오디뮴 아이언 보론(neodymium iron boron)을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시예에 있어서, 컵은 임펠러 조립체(1500)에 부착된다. 예시적인 실시예에 있어서, 컵은 샤프트(1514)에 프레스 끼워 맞춤(press fit)된다. 컵을 부착시키는 다른 방법으로서는 키 홈 및 고정 나사를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 마그네틱 커플링 쉘(1520)은 내부 회전자 자석(1518)과 외부 회전자 자석(1522) 사이에 위치 설정된다. 마그네틱 커플링 쉘(1520)은 송풍기 조립체(1500)용의 압력 용기 또는 격납 쉘이다. 이러한 쉘은 송풍기 조립체(1500) 내부에서 압축되고 있는 증기를 밀봉하여 증기가 주위 환경으로 빠져나가는 것을 방지한다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 쉘(1520)이 내부 회전자 자석(1518)과 외부 회전자 자석(1522) 사이에 위치되기 때문에 맴돌이 전류 손실이 발생할 수도 있다. 쉘(1520)이 전기적으로 전도성인 경우, 회전 자기장은 전류가 쉘을 통해 흐르게 할 수도 있으므로, 전력 손실이 야기될 수도 있다. 반대로, 맴돌이 전류 손실 양을 감소시키기 위해서는 높은 전기적인 저항성을 가지는 재료로 제조된 쉘(1520)이 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 티타늄이 마그네틱 커플링 쉘(1520) 제조용으로 사용될 수도 있다. 이러한 재료는 높은 전기적인 저항성 및 내부식성의 조합을 제공한다. 베어링 공급수와 쉘(1520) 사이의 접촉 가능성 때문에 내부식성이 있는 것이 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 쉘(1520)은 더 높은 전기적인 저항성 및 내부식성을 가지는 플라스틱 재료로 제조될 수도 있다. 이러한 대체 실시예에 있어서, 쉘(1520)은 등록상표 "RYTON," 등록상표 "ULTEM," 폴리술폰 및 PEEK를 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 외부 회전자 자석(1522)은 구동 모터(1508)에 연결될 수도 있다. 이러한 모터는 외부 회전자 자석(1522)을 회전시켜 내부 회전자 자석을 회전시키고, 이는 임펠러 조립체(1506)가 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)에 의해 형성된 캐비티 내부의 저압 증기를 압축하도록 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 구동 모터는 전기 모터일 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 구동은 내연 기관 또는 스털링 엔진일 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 송풍기 조립체(1500)는 2개의 1단 송풍기 또는 1개의 2단 송풍기로 구성될 수도 있다. 2개의 1단 송풍기의 작동에 있어서, 증발기/응축기의 증발기 측으로부터 유입하는 저압 증기는 송풍기의 2개의 별도 스테이지의 입구 포트 모두에 대해 동시에 공급된다. 제1 스테이지는 하부 하우징(1504)과 임펠러 조립체(1506) 사이의 바닥에 위치될 수도 있고, 제2 스테이지는 상부 하우징(1502)과 임펠러 조립체(1506) 사이의 천정에 위치될 수도 있다. 임펠러 조립체(1506)가 회전함에 따라, 양 스테이지의 입구 포트(1510)로부터 유입하는 저압 증기는 동시에 압축되고, 고압 증기는 상부 하우징(1502)의 출구 포트(1512) 및 하부 하우징(1504)의 출구 포트(1512)로부터 빠져나간다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 반대로, 2단 송풍기는 2개의 별개의 압축 사이클을 가진다. 제1 압축 사이클 중에 있어서, 증발기/응축기의 증발기로부터의 저압 증기는 하부 하우징의 입구(1514)로 공급된다. 제1 스테이지로부터 압축된 증기는 하부 하우징 내의 출구 포트(1516)를 통해 빠져나가고, 상부 하우징(1502)의 입구 포트(1510)로 공급된다. 이러한 제1 스테이지에서 압축된 증기는 제2 스테이지 동안 재압축된다. 제2 압축 사이클 이후, 증기는 증가된 압력으로 상부 하우징(1502)의 출구 포트(1512)를 통해 송풍기 조립체(1500)를 빠져나갈 수도 있다.
소정의 송풍기 설계에 있어서, 2개의 1단 송풍기 및 2단 송풍 구성 모두는 고유의 압력 유동 곡선을 가진다. 이들 곡선은 높은 압력 차등을 생성하는 2단 송풍기와 비교하여 2개의 1단 송풍기가 더 높은 증기 유속을 생성하는 것을 보여준다. 송풍기의 유속 및 효율은 차등 압력을 작동시키는 시스템을 기초로 송풍기의 유동 특성에 의존한다. 송풍기 조립체(1500)를 가로지르는 압력 차등에 따르면, 일 구성이 다른 구성에 비해 양호할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 송풍기 조립체(1500)는 2개의 1단 송풍기 구성을 가진다.
이후, 도 16 내지 도 16a를 참조하면, 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)에 의해 형성된 내부 캐비티 내부에는 임펠러 조립체[1600 : 도 15의 도면 부호(1506)와 동일]가 있다. 임펠러 조립체(1600)는 임펠러(1602) 및 스핀들(1604)의 각각의 측면 상에 복수의 임펠러 블레이드를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 임펠러(1602)는 등록상표 "Radel"로 제조될 수도 있고, 임펠러 스핀들(1604)은 알루미늄으로 제조될 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 이들 부분은 티타늄, PPS 및 등록상표 "ULTEM"을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 재료가 고온 저항성을 가지고 물을 흡수하지 않는 점을 만족하는 다른 재료가 이들 부분을 제조하기 위해 사용될 수도 있다. 또한, 임펠러 스핀들(1604)은 베어링 공급수가 다시 섬프로 복귀하는 통로를 구비할 수도 있다. 이들 통로는 베어링 공급수가 임펠러 버켓으로 진입하는 것을 방지한다.
계속, 도 16 내지 도 16a를 참조하면, 블레이드는 임펠러가 회전하고 있는 경우 임펠러(1602) 주연부의 각 측면 상에 일련의 나선형 유동을 생성하도록 설계된다. 이러한 유동은 증기가 개방 환형 채널을 통해 유동하는 경우 증기가 추가 에너지를 위해 반복적으로 블레이드를 통과하게 한다. 블레이드 개수 및 버켓 체적은 원하는 유속 및 압력 차등을 최적화시키도록 설계될 수도 있다. 블레이드 개수 및 버켓 체적은 서로에 대해 역비례하므로, 블레이드 개수의 증가는 더 높은 압력 차등을 생성하지만 유속을 느리게 한다. 임펠러(1602)의 외주연부 상의 래버린스(labyrinth) 홈은 송풍기 조립체(1500)의 스테이지를 가로지르는 증기 누설을 방지함으로써, 송풍기 효율을 증가시킨다.
다시, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 샤프트(1514)는 상부 하우징(1502) 및 하부 하우징(1504)에 부착되어 고정된다. 예시적인 실시예에 있어서, 샤프트(1514)는 티타늄으로 제조될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 샤프트(1514)는 산화 알루미늄, 질화 실리콘이나 티타늄 및 내마모성과 내부식성을 증가시키는 코팅을 가지는 스테인레스 강을 포함하는 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 샤프트(1514)는 베어링 공급수를 베어링(1516)으로 채널링(chenneling)하는 통로를 구비할 수도 있다.
계속, 도 15h 내지 도 15k를 참조하면, 2단 송풍기 구성인 송풍기 조립체(1500)는 하향 축추력을 생성할 수도 있다. 이러한 힘은 임펠러 조립체(1506)의 천정에서의 제2 스테이지가 임펠러 조립체(1506)의 바닥에 있는 제1 스테이지와 비교하여 더 높은 압력에 놓여있기 때문에 생성된다. 대체 실시예에 있어서, 이러한 추력은 내부 회전자 자석(1518) 및 외부 회전자 자석(1522)을 오프셋시킴으로써 생성되는 동일한 대향 자기력에 의해 균형이 맞추어질 수도 있다. 이러한 구성은 하부 압축수 공급 베어링(1516)의 추력면(thrust face)의 과도한 마모를 방지한다.
이후, 도 17 내지 도 17e를 참조하면, 대체 재생 송풍기의 실시예(1700)가 도시된다. 이러한 실시예는 임펠러 하우징 조립체(1702), 장착 판(1704) 및 장착 플랜지(1706)를 포함할 수도 있다. 재생 송풍기 조립체(1700)의 단면도로서 도 17b 내지 도 17d를 참조하라. 또한, 재생 송풍기 조립체(1700)의 확대도로서 도 17e를 참조하라.
이후, 도 17 내지 도 17e를 참조하면, 장착 판(1704)은 장착 플랜지(1706)를 임펠러 하우징 조립체(1702)로 연결시킨다. 장착 판은 또한 도 17e에 도시된 바와 같이, 임펠러 하우징 조립체(1702)의 하부 하우징(1708) 내부로의 유체 경로를 제공하는 포트를 제공한다. 또한, 장착 판은 베어링 공급수가 송풍기 조립체(1700)를 빠져나가는 통로를 제공한다.
이후, 도 17f 내지 도 17i를 참조하면, 임펠러 하우징 조립체(1702)는 하부 하우징(1708), 임펠러 조립체(1710) 및 상부 하우징(1712)을 포함할 수도 있다. 또한, 임펠러 하우징 조립체(1702)의 단면도로서 도 17h 내지 도 17i를 참조하라.
이후, 도 17f 내지 도 17i를 참조하면, 하부 하우징(1708) 및 상부 하우징(1712)은 임펠러 조립체(1710)를 포함하는 내부 캐비티를 형성한다. 이러한 캐비티는 임펠러가 유입하는 저압 증기를 압축시키기 위한 체적을 제공한다. 증기는 하부 하우징(1708) 및 상부 하우징(1712) 내부에 위치되는 입구 포트를 통해 임펠러 하우징 조립체로 진입할 수도 있다. 저압 증기가 임펠러 조립체(1710)에 의해 압축된 이후, 고압 증기는 하부 하우징(1708) 및 상부 하우징(1712) 내에 위치되는 출구 포트를 통해 빠져나갈 수도 있다. 하부 하우징(1708)의 상세도로서 도 17j 내지 도 17k를 참조하라. 또한, 하부 하우징(1708) 및 상부 하우징(1712)은 알루미늄, 티타늄, PPS 및 등록상표 "ULTEM"으로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 17f 내지 도 17i를 참조하면, 상부 하우징(1712)은 하우징의 천정면에 부착되는 접근 커버(1714)를 포함할 수도 있다. 접근 커버(1714)가 설치된 상부 하우징(1712)의 평면도를 도시하는 도 17l를 참조하라. 이러한 커버는 상부 하우징 커버 내부에 위치된 포트로의 접근을 허용한다. 접근 커버(1714)가 설치되지 않은 상부 하우징(1712)의 평면도를 제공하는 도 17m을 참조하라. 이 도면은 상부 하우징(1712) 내부에 위치된 입출구 포트를 도시하고 있다.
이후, 도 17n을 참조하면, 하부 하우징(1708) 및 상부 하우징(1712)은 하우징의 내부면 상에 감압 덕트(1716) 및 스트립 판(1718)을 포함할 수도 있다. 이들 특징부는 송풍기 조립체(1500)의 예시적인 실시예에서 기술된 것들과 유사한 기능을 수행한다.
이후, 도 18 내지 도 18a를 참조하면, 하부 하우징(1708) 및 상부 하우징(1712)에 의해 형성된 내부 캐비티는 임펠러 조립체[1800 : 도 17의 도면 부호(1710)와 동일]를 포함한다. 이러한 조립체는 도 18 내지 도 18a에 도시된 바와 같이 블레이드(1804)를 가지는 임펠러 및 스핀들(1802)을 포함할 수도 있다. 저압 증기가 임펠러 하우징(1702)의 내부 캐비티로 진입하는 경우, 임펠러 조립체(1800)는 조립체가 회전함에 따라 증기를 압축한다.
계속, 도 18 내지 도 18a를 참조하면, 구동 모터는 임펠러(1804) 및 블레이드를 회전시키는 회전 에너지를 제공한다. 베어링(716)이 샤프트와 스핀들의 내부면 사이에 위치될 수도 있다. 이들 베어링은 샤프트를 지지하고 임펠러(1804)가 자유롭게 회전하는 것을 허용한다. 베어링(1716)은 스핀들(1802)의 단부 근처에 위치될 수도 있다.
장치의 대체 실시예에 있어서, 저압 증기는 그 내용이 본 명세서에서 참조되는, 발명의 명칭이 "압축 증기 사이클 액체 증류"이고 2005년 1월 27일자로 공개된 미국 특허출원 공개 제US 2005/0016828 A1호에 개시된 액체 링 펌프를 사용하여 압축될 수도 있다.
레벨 센서 조립체
이후, 도 19를 참조하면, 수증기 증류 장치(100)의 예시적인 실시예는 레벨 센서 조립체[1900 : 도 1의 도면 부호(108)와 동일]를 추가로 포함한다. 이러한 조립체는 장치(100)에 의해 생성된 생성수 및/또는 배출수의 양을 측정한다.
이후, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 레벨 센서 조립체(1900)의 예시적인 실시예는 침전 탱크(1902) 및 레벨 센서 하우징(1904)을 포함할 수도 있다. 침전 탱크(1902)는 물이 배출 레벨 센서 탱크(1912)로 진입하기 이전에 배출수 내부에서 반송되는 미립자를 수집한다. 탱크는 탱크를 통해 유동함에 따라 물의 속도를 감소시킴으로써 배출수로부터 미립자를 제거한다. 침전 탱크(1902)는 일정 내부 체적을 형성한다. 상기 체적은 배수 포트(1908)에 대향하는 측벽으로부터 배수 포트(1908)의 가까운 근접부로 연장하는 핀(1905)을 사용함으로써 거의 반으로 분할될 수도 있다. 이러한 핀(1905)은 체적 바닥으로부터 천정으로 연장할 수도 있다.배출수는 입구 포트(1906)를 통해 진입하여, 물이 레벨 센서 포트(1910)를 통해 빠져나갈 수 있게 되기 전에 핀(1905) 주위를 유동하여야만 한다. 배출수가 용기 본체로 진입함에 따라, 속도는 면적 증가에 기인하여 감소한다. 배출수 내의 임의의 입자는 속도 감소에 기인하여 부유 상태에서 벗어나 떨어지게 될 수도 있다. 침전 탱크(1902)는 내부식성 및 내열성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 하우징은 등록상표 "RADEL"로 제조된다. 대체 실시예에 있어서, 침전 탱크(1902)는 티타늄, 구리-니켈 및 스테인레스 강을 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 침전 탱크(1902)는 3개의 포트로서 입구 포트(1906), 배수 포트(1908) 및 레벨 센서 포트(1910)를 구비할 수도 있다. 입구 포트(1906)는 도 19a 내지 도 19b에 도시된 바와 같이 침전 탱크(1902)의 천정면에 위치될 수도 있고, 분리 핀(1905)에 인접하여 배수 포트(1908)와는 대향될 수도 있다. 이러한 포트는 배출수가 탱크로 진입하는 것을 허용한다. 배수 포트(1908)는 도 19a 내지 도 19b에 도시된 바와 같이 침전 탱크(1902)의 바닥에 위치될 수도 있다. 배수 포트(1908)는 저장조로의 접근을 제공하여 탱크로부터의 미립자의 제거를 용이하게 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 탱크의 바닥은 도 19b에 도시된 바와 같이 드레인을 향해 경사질 수도 있다. 레벨 센서 포트(1910)는 도 19a에 도시된 바와 같이 탱크의 천정면 내부에 위치되고, 또한 분리 핀(1905)에 인접하지만 입구 포트(1906) 측과는 대향할 수도 있다. 이러한 포트는 배출 레벨 센서 저장조(1912)로의 유체 경로를 제공한다. 제4 포트는 도 19a에 도시되어 있지 않다. 이러한 포트는 배출수가 레벨 센서 조립체(1900)를 빠져나와 열교환기로 진입하는 것을 허용한다. 이러한 포트는 침전 탱크(1902)의 상반부의 측벽 중 일 측벽에 위치되어 입구 포트(1906)로부터 멀어질 수도 있다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서, 여과기는 배출수가 배출 레벨 센서 저장조(1912) 및 침전 탱크(1902)를 빠져나간 이후의 유동 경로 내에 설치될 수도 있다. 여과기는 배출수가 다른 장치 부품으로 유동하는 것을 허용하면서 큰 미립자를 수집할 수도 있다. 여과기는 내부식성을 가지는 재료로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 여과기는 스테인레스 강으로 제조된다. 또한, 필터 요소는 요소의 세정을 제공하도록 제거 가능할 수도 있다. 여과기는 배출수로부터의 미립자를 제거하여 열교환기로 진입하는 미립자의 양을 제한한다. 배출수 내의 초과된 미립자는 열교환기의 내부 튜브가 열교환기의 효율을 감소시키는 스케일 및 침전물로 막히게 할 수도 있다. 또한, 미립자는 열교환기를 통한 배출수의 유동을 방해하는 장애물을 생성할 수도 있다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 침전 탱크(1902)는 레벨 센서 하우징(1904)과 유체 연결된다. 이러한 하우징은 배출 레벨 센서 저장조(1912), 생성 레벨 센서 저장조(1914) 및 베어링 공급액 저장조(1916)를 포함하는 3개의 내부 저장조를 구비할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 배출 레벨 센서 저장조(1912)는 오염 물질이 생성수를 배출수와 혼합시키는 것을 방지하도록 다른 저장조와는 독립되어 있다. 레벨 센서 하우징(1904)은 내부식성 및 내열성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 하우징은 등록상표 "RADEL"로 제조된다. 다른 실시예에 있어서, 하우징은 티타늄, 구리-니켈 및 스테인레스 강을 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 있어서, 하우징은 부유 볼이 45도의 이동 범위를 가지고 이러한 이동 중에 유체 레벨의 체적에 있어서 일정한 변화가 있어야 하는 점을 만족하는 다른 형상을 가질 수도 있다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 레벨 센서 하우징(1904)의 내부에는 배출 레벨 센서 저장조(1912)가 존재한다. 이러한 저장조는 탱크(1902)의 천정면 내부에 위치되는 측정 포트(1910)를 통해 침전 탱크(1902)와 유체 연결된다. 저장조는 장치에 의해 발생되는 배출수의 유속이 레벨 센서(1918)를 사용하여 측정될 수가 있는 위치를 제공한다. 배출수가 침전 탱크를 채움에 따라, 일부 물은 측정 포트(1910)를 통해 배출 레벨 센서 저장조(1912)로 유동한다. 또한, 통기 포트(1923)는 저장조의 천정 내부에 위치될 수도 있다. 이러한 포트는 공기가 저장조를 빠져나가, 배출수가 캐비티를 채우는 것을 허용한다. 저장조의 체적은 수위를 유지하기에 충분하여야 한다. 너무 작은 체적을 가지는 하우징은 신속히 채워지고 배수되어 레벨 센서의 기능에 악영향을 미칠 수도 있다. 반대로, 큰 체적을 가지는 저장조는 작은 유체 레벨 높이 변화에 기인하여 체적의 소정 증가 또는 감소에 대한 레벨 센서의 응답 시간이 느려질 수도 있다. 큰 체적은 또한 장치의 작동에 의해 발생되는 수위에 있어서의 임의의 변동을 둔화시킬 수도 있다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 생성 레벨 센서 저장조(1914)는 배출 레벨 센서 저장조(1912) 다음에 위치될 수도 있다. 생성 레벨 저장조(1914)는 입구 포트(1920) 및 출구 포트(1922)를 가진다. 생성수는 입구 포트(1920)를 통해 저장조로 진입하고 출구 포트(1922)를 통해 저장조를 빠져나간다. 출구 포트(1922)는 저장조를 나가는 물의 유동을 향상시키도록 레벨 센서의 하단부 측정 지점 아래에 위치될 수도 있다. 유사하게, 입구 포트(1920)는 유입하는 물에 의한 혼란을 최소화시키기 위해 레벨 센서의 하단부 측정 지점 아래에 위치될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 입구 포트(1920) 및 출구 포트(1922)는 도 19a에 도시된 바와 같이 레벨 센서 하우징(1904)의 측면 상에 위치된다. 이러한 저장조는 장치에 의해 발생되는 생성수의 유속을 측정하기 위한 공간을 제공한다. 또한, 통기 포트(1923)는 저장조의 천정부 내부에 위치될 수도 있다. 이러한 포트는 공기가 저장조를 빠져나가게 하여 생성수가 캐비티를 채우는 것을 허용한다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 생성 레벨 센서 저장조(1914)는 베어링 공급수 저장조(1916)와 유체 연결된다. 외부 포트(1924)는 생성수가 도 19c에 도시된 베어링 공급수 저장조(1916)와 생성 레벨 센서 저장조(1914) 사이를 유동하는 유체 경로를 제공한다. 생성수는 외부 포트(1924)를 통해 베어링 공급수 저장조(1916)로 진입한다. 또한, 베어링 공급수 저장조(1916)는 도 19c에 도시된 공급 포트(1926) 및 복귀 포트(1928)를 가진다. 공급 포트(1926)는 재생 송풍기 조립체 내부에서 베어링을 윤활하는 유체 경로를 제공한다. 유사하게, 복귀 포트(1928)는 생성수가 재생 송풍기 조립체의 베어링 윤활로부터 복귀하는 유체 경로를 제공한다. 공급 및 복귀 포트는 도 19c에 도시된 바와 같이 레벨 센서 하우징(1904)의 측면 상에 위치될 수도 있다.
계속, 도 19 내지 도 19a를 참조하면, 베어링 공급수 저장조(1916) 내부의 생성수 양을 감시하기 위해, 광학 레벨 센서가 설치될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 광학 레벨 센서는 베어링 공급수 저장조(1916)에 있어서 대략 2/3 높이인 지점에 위치될 수도 있다. 이러한 센서는 물이 저장조 내부에 존재할 때를 감지하여 베어링을 윤활하기 위한 충분한 물이 존재함을 표시한다. 센서는 센서를 레벨 센서 하우징(1904)에 나사 결합시킴으로써 설치될 수도 있다. 센서는 방수 밀봉을 제공하도록 O-링을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 센서는 컨덕턴스 센서, 플로트 스위치, 용량성 센서 또는 초음파 센서일 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 도 19d 내지 도 19f를 참조하면, 2개의 저장조를 가지는 대체 레벨 센서 하우징(1930)이 도시되어 있다. 레벨 센서 하우징(1930) 내부에는 배출 레벨 센서 저장조(1932)가 존재한다. 이러한 저장조는 전술된 레벨 센서 하우징(1904) 내부의 배출 저장조(1912)와 유사하며 동일한 기능을 수행한다. 반대로, 이때 생성 레벨 센서 저장조(1934)는 재생 송풍기의 베어링에 공급할 생성수를 포함한다. 레벨 센서 하우징(1904)의 베어링 공급수 저장조(1916)는 본 구성에서는 제외된다. 대신에, 생성수는 생성 레벨 센서 저장조로부터 배출되어, 재생 송풍기용 물을 공급한다.
계속, 도 19d 내지 도 19f를 참조하면, 생성 레벨 센서 저장조(1934)는 입구 포트(1935), 출구 포트(1936), 복귀 포트(1938) 및 공급 포트(1940)를 구비할 수도 있다. 입구 포트(1935)는 생성수가 저장조로 진입하는 것을 허용한다. 유사하게, 출구 포트(1936)는 생성수가 하우징을 떠나는 유체 경로를 제공한다. 추가로, 공급 포트(1940)는 생성수가 재생 송풍기의 베어링을 윤활하기 위해 저장조를 떠나는 것을 허용한다. 재생 송풍기의 베어링을 통과한 후, 생성수는 복귀 포트(1938)를 통해 생성 레벨 센서 하우징으로 재진입할 수도 있다. 이들 포트는 하우징 내에서 임의의 장소에 위치될 수도 있지만, 공급 포트(1940) 및 복귀 포트(1938)를 하우징 바닥부 근처에 위치시키면 레벨 센서 기능에 대한 임의의 역효과를 제한할 수도 있다.
이후, 도 19g 내지 도 19h를 참조하면, 센서(1942)는 레벨 센서 조립체(1918)로부터의 입력을 받기 위해 레벨 센서 하우징(1904)의 외측에 위치 설정될 수도 있다. 레벨 센서 조립체(1918)로부터 입력을 받으면, 센서(1942)는 탱크 내의 수위가 특정 범위 또는 특정 레벨 내에 있다 신호를 보낼 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 센서는 연속의 아날로그 센서일 수도 있다. 이러한 형태의 센서는 레벨 센서 조립체(1918)의 위치에 대한 연속의 피드백을 제공한다. 레벨 센서 내부의 자석이 그 위치를 바꾸는 경우, 센서 위치를 판단하기 위해 측정 사용되는 전압에 있어서의 변화가 발생한다. 다른 실시예는 홀 센서 또는 리드 스위치를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 19h는 1 세트의 부유 자석(1944) 및 위치 설정 자석(1946)을 포함하는 레벨 센서 조립체로서 가능한 일 대체 실시예를 도시하고 있다. 위치 설정 자석(1946)은 레벨 센서 하우징(1904)의 측면에 부착된다.
이후, 도 20 내지 도 20a를 참조하면, 배출 레벨 센서 저장조(1912) 및 생성 레벨 센서 저장조(1914) 내부에는 레벨 센서[2000 : 도 19a 및 도 19e의 도면 부호(1918)와 동일]가 존재한다. 이들 센서는 기부(2002), 아암(2004) 및 부유 볼(2006)을 포함할 수도 있다.
계속, 도 20 내지 도 20a를 참조하면, 레벨 센서(2000)의 예시적인 실시예는 부유 볼(2006) 및 아암(2004)을 지지하는 기부(2002)를 포함할 수도 있다. 또한, 조립체는 2개의 자석(도시 생략)을 포함한다. 기부는 아암 및 부유 볼 조립체에 연결되고, 조립체는 소경 축(도시 생략)에 대하여 피봇한다. 또한, 기부(2002)는 2개의 자석을 보유한다. 이들 자석은 서로에 대해 180도로 위치되고, 기부(2002) 면 상에 피봇부에 대해 평행하게 위치된다. 또한, 이들 자석은 기부(2002) 내부에서 피봇 점과 동축으로 위치 설정될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 자석은 축 방향의 자성 배향을 가지는 원통형 자석일 수도 있다.
계속, 도 20 내지 도 20a를 참조하면, 레벨 센서(2000)는 피봇부에 대한 아암 및 볼 조립체의 회전을 측정한다. 예시적인 실시예에 있어서, 최대 변위각은 45도이다. 이러한 실시예에 있어서, 레벨 센서는 부유 볼(2006)이 피봇부 바로 아래에 위치 설정되는 것을 방지하도록 설치된다. 다른 실시예에 있어서, 최대 변위각은 80도만큼 클 수도 있다. 센서는 하우징의 벽을 통해 자석을 감시할 수도 있다. 이러한 구성은 센서가 부식성 배출수에 노출되지 않게 하고 레벨 센서 하우징을 밀봉하는 것을 가능하게 한다. 기부는 내부식성, 내열성 및 비자성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 기부(2002)는 G10 플라스틱으로 제조된다. 대체 실시예에 있어서, 기부(2002)는 등록상표 "RADEL," 티타늄, 구리-니켈 및 유리 섬유 라미네이트를 포함하는 다른 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
계속, 도 20 내지 도 20a를 참조하면, 아암(2004)이 기부(2002)에 부착된다. 아암(2004)은 기부(2002)를 부유 볼(2006)과 연결시킨다. 예시적인 실시예에 있어서, 아암(2004)은 G10 플라스틱 재료로 제조된다. 이들 재료가 충분한 고온 저항성을 가져야 한다는 점을 만족하는 다른 재료가 아암(2004)의 제조에 사용될 수도 있다. 다른 재료로는 스테인레스 강, 플라스틱, 등록상표 "RADEL," 티타늄 및 구리-니켈을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 아암의 길이는 레벨 센서 저장조의 크기에 의해 좌우된다. 또한, 예시적인 실시예는 아암의 종축을 따라 수직으로 위치되는 복수의 구멍을 가진다. 이들 구멍은 아암의 중량을 감소시켜 아암이 레벨 변화에 더 민감하게 반응하게 한다.
계속, 도 20 내지 도 20a를 참조하면, 부유 볼(2006)이 아암(2004)의 타단부에 부착된다. 부유 볼(2006)은 물의 유동이 접촉하는 표면 영역을 제공한다. 물에 의해 부유 볼(2006)에 가해지는 힘은 레벨 센서 조립체(2000)가 소경 축을 중심으로 피봇하게 한다. 아암의 위치에 있어서 이러한 변화는 장치 내 물의 양을 나타내게 된다. 부유 볼은 내부식성 및 내열성을 가지는 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 또한, 재료는 낮은 물 흡수율을 가지는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 부유 볼은 중공식 스테인레스 강으로 제조된다. 해수와 같이 원수가 높은 농도를 가지는 적용예에 있어서, 부유 볼(2006)은 플라스틱, 티타늄 및 구리-니켈을 포함하는 높은 내부식성의 재료로 제조될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 부유 볼(2006)은 물에 떠서 자유롭게 이동할 수 있도록 레벨 센서 하우징(1904) 내부에 위치 설정되기에 적절한 크기인 것이 바람직하다. 또한, 부유 볼(2006)의 크기는 레벨 센서 저장조의 크기에 의해 좌우된다.
이후, 도 21 내지 도 21a를 참조하면, 베어링 공급수 펌프[2100 : 도 1 내지 도 1a의 도면 부호(110)와 동일]는 베어링 공급수 저장조(1916)의 공급 포트(1926)에 연결된다. 펌프(2100)는 생성수가 베어링 공급수 저장조(1916)로부터 재생 송풍기로 유동하는 것을 가능하게 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 유속은 13.79 내지 15.51 kPa(2 내지 2*1/4 psi) 범위의 압력에 대해 60 ml/min이다. 펌프가 재생 송풍기 내부의 베어링에 대해 적절한 윤활 유동을 유지하기에 충분한 양의 물을 공급할 수 있어야 하는 점을 만족하는 임의 형태의 펌프가 사용될 수도 있다. 또한, 펌프(2100)는 펌프를 통과하는 고온 생성수 및 주위 환경의 고온에 견딜 수 있는 내열성을 가지는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 베어링 공급수 펌프(110)는 모델 번호가 ETX-50-VIC인 고텍 선형 정변위 펌프(GOTEC linear positive displacement pump)이다. 대체 실시예에 있어서, 펌프가 고온에서 작동할 수 있어야 된다는 점을 만족하는 원심 펌프와 같은 다른 형태의 펌프가 사용될 수도 있다.
제어
장치는 또한 상이한 유동 경로를 위한 복수의 제어 밸브를 가지는 제어 매니폴드를 포함할 수도 있다. 대개 이러한 매니폴드는 장치로 유입하는 물의 양을 제어하도록 원수용 입구 배관부 내부에 제어 밸브를 포함할 수도 있다. 과도한 압력에서는 제어 밸브가 개방에 실패할 수도 있으며, 일단 개방하더라도 폐쇄에 실패할 수도 있어서, 원수의 압력을 조절하기 위해 입구 배관부 내에 조절기가 포함될 수도 있다.
유사하게, 매니폴드는 또한 장치 밖으로 배출수를 반송하는 출구 배관부 내부에 제어 밸브를 포함할 수도 있다. 이러한 밸브는 장치를 떠나는 배출수의 양을 조작자가 제어하는 것을 가능하게 할 수도 있다.
또한, 제어 매니폴드는 생성수용 출구 배관부 내부에 제어 밸브를 포함할 수도 있다. 이러한 밸브는 장치를 떠나는 생성수의 양을 조작자가 제어하는 것을 가능하게 할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 출구 배관부의 각각의 섹션마다 1개의 제어 밸브가 존재한다. 유사하게, 장치는 증발기/응축기로부터 가스성 성분을 방출시키는 통기 밸브를 포함한다. 통기 밸브는 작은 양의 증기를 환기시킴으로써 장치의 작동 조건을 유지시킨다. 증기 방출(releasing)에 의해 장치의 과열이 방지된다. 유사하게, 증기 방출은 응축기 공간 내에서 장치의 작동을 방해할 수도 있는 성분의 축적도 방지한다.
대개, 제어 밸브는 동일한 형태일 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 제어부는, 오하이오주 44513 보더먼(Boardman) 소재의 스파르탄 사이언티픽(SPARTAN SCIENTIFIC)에서 제조된 4BKR 시리즈의 모델 번호 9-4BKR-55723-1-002인 솔레노이드식 밸브이다. 대체 실시예에 있어서, 제어는 비례 밸브일 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제어 밸브는 0 내지 5 볼트의 전기 입력을 사용하여 전기적으로 작동된다.
또한, 장치는 그 내용이 본 명세서에서 참조되는, 발명의 명칭이 "배압 조절기"이고, 2005년 9월 8일자로 공개된 미국 특허출원 공개 제US2005/0194048 A1호에 개시된 배압 조절기를 포함할 수도 있다.
수증기 증류 장치는 전압 조절기를 포함할 수도 있다. 대개, 장치는 전통적인 벽 출구(wall outlet)로부터 제공된 단상(single phase) 전력을 수용할 수도 있다. 그러나, 다른 국가에서는 전압이 상이할 수도 있다. 이러한 전압차를 해결하기 위해, 전압 조절기가 장치 내에 포함되어, 장치의 전기 부품으로 적절한 형태의 전압이 확실하게 공급된다.
또한, 배터리가 시스템 내부에 제공되어 장치에 전기 에너지를 제공할 수도 있다. 배터리로부터 전기 에너지가 공급되는 경우, 장치는 들어가는 전기를 직류로부터 교류로 변경하기 위한 전기 인버터를 포함하는 것이 바람직할 것이다. 다른 실시예에서는, 장치는 스털링 엔진 및 내연 기관 엔진으로부터 전기 에너지를 받을 수도 있다. 이들 실시예도 전기 인버터를 필요로 할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 장치는 전기 부품에 전력을 공급하기 위해 장치로 공급되는 전압의 양을 증가시키는 승압 루프를 포함할 수도 있다.
물 증류 방법
원수를 여과하는 단계, 열교환기를 사용하여 원수를 가열하는 단계, 원수를 저압 증기로 변환시키는 단계, 원수 증기로부터 물을 제거하여 건조 저압 증기를 생성하는 단계, 건조 저압 증기를 고압 증기로 압축하는 단계 및 고압 증기를 생성수로 응축하는 단계를 포함하는 수증기 증류 방법이 본 명세서에서 개시된다.
이후, 도 22 내지 도 22a를 참조하면, 원수는 증기로 변환되고 이후 깨끗하고 순수한 물, 소위 생성수로 응축되는 오염된 물이다. 도 22는 전술된 장치 내부의 원수 유체 경로를 도시하고 있다. 원수는 도 22a에 도시된 바와 같이 열교환기에 연결된 입구 튜브를 통해 장치로 진입한다. 대개, 원수가 입구 튜브를 통해 열교환기 내부로 유동하게 하는 펌프가 설치될 수도 있다. 입구 튜브 내부에는, 원수가 튜브로 진입하는 장소와 열교환기와의 연결부 사이에 설치된 여과기(2202)가 존재할 수도 있으며, 도 22a를 참조하라. 다른 실시예에서는, 장치 내부로의 원수의 유동을 조절하기 위해 조절기(2204)가 입구 튜브 내부에 위치 설정될 수도 있다. 유사하게, 일 실시예에 있어서, 밸브(2206)는 장치를 원수로부터 격리시키기 위해 입구 튜브 내부에 위치 설정될 수도 있다.
계속, 도 22 내지 도 22a를 참조하면, 작동시 원수는 여과기(2202)를 통과하여 큰 미립자가 제거된다. 이들 큰 미립자는 열교환기의 내부 튜브 또는 입구 및 배출 밸브를 막히게 함으로써 장치의 작동에 악영향을 미칠 수도 있다. 또한, 미립자가 증발기/응축기의 튜브 상에 침전될 수도 있으며, 이는 장치의 효율을 감소시킨다. 예시적인 실시예에 있어서, 여과기(2202)는 제어 밸브 이전에 위치된다. 다른 실시예에 있어서, 여과기는 입구 펌프(도시 생략) 이전에 위치 설정될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 여과기(2202)는 50 마이크론의 사용자 세정(user-cleaner) 유닛을 가진다. 대체 실시예에 있어서, 장치는 여과기(2202)를 포함하지 않을 수도 있다. 원수가 여과기(2202)를 통과한 이후에, 물은 열교환기(2208)로 진입한다.
이후, 도 22b를 참조하면, 열교환기(2208)로의 진입시, 원수는 열교환기(2208)의 외부 튜브를 채울 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 열교환기는 역류 이중관식 열교환기가다. 원수는 대략 주변 온도로 열교환기에 진입한다. 반대로, 생성수 및 배출수는 주변보다 높은 온도를 가지고 열교환기로 진입한다. 원수는 일 단부에서 열교환기로 진입하고, 생성수 및 배출수는 대향 단부에서 열교환기로 진입한다. 원수가 열교환기를 통해 유동함에 따라, 생성수 및 배출수의 높은 열 에너지가 열교환기의 내부 튜브로부터 외향을 향하여 원수로 전도된다. 원수의 이러한 온도 증가는 물이 증발기/응축기에서 증기로 효율적으로 변환되는 것을 가능하게 한다.
이후, 도 22c 내지 도 22d를 참조하면, 일단 원수가 역류 이중관식 열교환기를 통과하면, 물은 열교환기를 빠져나와 재생 송풍기 모터의 냉각 루프로 진입한다. 작동 중에 있어서, 재생 송풍기 모터(2210)는 열 에너지를 생성한다. 이러한 열 에너지는 송풍기가 적절하게 작동하게 하기 위해서 송풍기 모터(2210)로부터 제거되어야 한다. 원수가 송풍기 모터의 냉각 루프를 통과함에 따라, 송풍기 모터에 의해 생성된 열 에너지는 원수로 전달된다. 열 에너지는 송풍기 모터가 낮은 작동 온도를 유지하는 것을 허용하고 원수의 온도를 상승시킨다. 원수의 증기로의 상 변화를 발생시키는데 더 적은 에너지가 필요하게 되기 때문에, 원수의 높은 온도는 장치의 효율을 증가시킨다. 원수는 도 22e에 도시된 바와 같이, 재생 송풍기 모터 냉각 루프를 떠나 섬프(2212)를 통해 증발기/응축기로 진입한다.
이후, 도 23 내지 도 23a를 참조하면, 장치 내에는 농도가 높은 원수, 소위 배출수가 존재한다. 이러한 물은 증발기/응축기의 튜브 상에서의 스케일링을 방지하기 위해 장치로부터 미립자를 제거한다. 이러한 유체는 원수 내에 존재하던 임의의 비휘발성 오염 물질을 포함할 수도 있다. 이들 오염 물질은 오염원(faulant)으로부터의 스케일, 중금속 또는 유기 성분을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 이들 오염원으로는 칼슘 카보네이트 및 마그네슘 카보네이트를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 배출수는 열교환기를 통과할 때 열 에너지를 원수로 전달한다. 도 23은 전술된 장치 내부에서의 배출수 유체 경로를 도시하고 있다. 배출수는 도 23a에 도시된 바와 같이 증기 체스트(2302) 내에서 수집된다. 저압 수증기가 증기 체스트(2302)를 통과함에 따라, 물방울이 수증기로부터 분리된다. 이들 액적은 증기 체스트(2302)의 바닥부에 축적되어 존재하고 있던 배출수에 더해진다. 배출수의 수위가 증가함에 따라, 물은 포트를 통해 증기 체스트(2302)를 빠져나온다. 이러한 포트를 통해, 배출수는 도 23a에 도시된 바와 같이 증기 체스트(2302)를 떠나 레벨 센서 하우징(2304)으로 진입한다.
이후, 도 23b 내지 도 23c를 참조하면, 배출수는 레벨 센서 하우징(2304)으로 진입하여 침전 탱크(2306)를 채운다. 배출수가 침전 탱크(2306)를 통과함에 따라, 물 내부의 미립자는 탱크 바닥부에 침전되어 물을 미립자로부터 분리시킨다. 미립자를 물로부터 분리시킴으로써 미립자가 열교환기로 진입하는 것이 방지된다. 열교환기는 물 안의 미립자의 존재에 의해 악영향을 받는다. 미립자는 열교환기의 내부 튜브 안에 모일 수도 있으며, 이는 열교환기가 낮은 효율을 가지게 한다. 미립자는 내부 튜브를 통한 배출수의 유동을 감소시킬 수도 있으며, 이는 원수로 전달될 수 있는 열 에너지의 양을 감소시킨다. 몇몇 경우에 있어서, 미립자 집합은 열교환기를 통한 배출수의 유동을 방해하는 내부 튜브 내부의 장애물을 생성할 수도 있다. 배출수가 침전 탱크(2306)를 채움에 따라, 물은 또한 도 23c에 도시된 바와 같이 배출 레벨 센서 저장조(2308)를 채우게 된다.
이후, 도 23d 내지 도 23g를 참조하면, 레벨 센서 하우징(2304)을 빠져 나갈때, 배출수는 도 23e에 도시된 열교환기(2312)로 진입하기 이전에 여과기(2310)를 통과할 수도 있다. 여과기(2310)는 레벨 센서 하우징(2304)의 침전 탱크(2306)를 통해 유동한 후에 남아있는 배출수 내부 미립자를 제거한다. 배출수로부터의 미립자의 제거는 시스템 내부의 밸브 및 열교환기 내의 미립자 축적을 감소시킨다. 배출수는 도 23e에 도시된 바와 같이 열교환기(2312)로 진입하여 내부 튜브 중 하나를 채운다. 물은 도 23f에 도시된 바와 같이 열교환기(2312)를 채운다. 배출수가 열교환기를 통과함에 따라, 열 에너지는 고온의 배출수로부터 배출수를 포함하는 튜브를 통해 저온의 원수로 전도된다. 배출수는 도 23g에 도시된 열교환기를 빠져나온다. 열교환기를 빠져나간 이후, 배출 유체는 혼합 캔(2314)을 통과하여, 장치로부터 부분적으로 해제된 증기가 사람 또는 인접 대상에 해를 미치는 것을 방지할 수도 있다. 증기는 장치의 에너지 균형을 유지하도록 응축기 공간으로부터 주기적으로 통기될 수도 있다. 유사하게, 가스성 증기(예를 들어, 휘발성 유기 성분, 공기)는 장치의 적절한 작동을 유지시키도록 응축기 공간으로부터 정화되어야만 한다. 증기 및 가스성 증기 모두 저온의 배출수를 가지는 혼합 캔(2314) 내부로 해제된다. 증기를 배출수와 혼합시킴으로써, 증기는 응축되고, 이는 증기를 안정적으로 해제시킨다. 다른 실시예에 있어서, 혼합 캔을 장치로부터 격리시키거나 장치를 빠져나가는 배출수의 유속을 조정하기 위해, 열교환기(2312) 및 혼합 캔(2314)과 튜브 연결되도록 위치 설정되는 밸브가 존재할 수도 있다.
이후, 도 24 내지 도 24a를 참조하면, 생성수는 증발기/응축기 내부 튜브의 외부면과 접촉하면서 고압 증기가 응축할 때 형성된다. 도 24는 전술된 장치 내부의 생성수 유체 경로를 도시한다. 생성수는 도 24a에 도시된 바와 같이 증발기/응축기(2402) 내에서 생성된다. 고압 증기가 증발기/응축기의 튜브 외부면에 대해 응축함에 따라, 물방울을 형성한다. 이들 액적은 증발기/응축기(2402)의 바닥에 축적되어 생성수를 생성한다. 생성수의 수위가 증가함에 따라, 물은 도 24a에 도시된 바와 같이 포트를 통해 증발기/응축기(2402)를 빠져나와 레벨 센서 하우징(2404)으로 진입한다.
이후, 도 24b 내지 도 24e를 참조하면, 생성수는 도 24b에 도시된 생성 레벨 센서 저장조(2406)에 연결된 포트를 통해 레벨 센서 하우징(2404)으로 진입할 수도 있다. 이러한 저장조는 유입하는 생성수를 수집하고 장치에 의해 생성된 물의 양을 측정한다. 물은 생성 레벨 센서 저장조(2406)를 빠져나와 도 24c에 도시된 열교환기(2408)로 진입한다. 열교환기(2408)를 통과하면서, 고온의 생성수는 열 에너지를 열교환기(2408)의 내부 튜브를 통해 저온의 원수로 전달한다. 도 24d는 열교환기(2408)를 통과하는 생성수를 도시하고 있다. 열교환기(2408)를 통과한 후, 생성수는 도 24e에 도시된 바와 같이 장치를 빠져나간다. 예시적인 실시예에 있어서, 장치는 생성수 전환 밸브(2410) 및 생성수 밸브(2412)를 포함할 수도 있다. 생성수 밸브(2412)는 조작자가 장치를 떠나는 생성수의 유속을 조정 가능하게 한다. 대개, 일단 저장조가 50% 채워지면, 생성수 밸브(2412)는 저장조로 진입하는 물의 양이 저장조를 떠나는 양과 동일하게 되도록 하는 사이클을 가진다. 시스템의 초기 기동시 생산 초기 몇 분 동안에는, 생성수 전환 밸브(2410)를 개방시킴으로써 생산된 생성수가 폐기 처리된다. 일단 충분한 품질의 생성수인 것으로 판단되면, 생성수 전환 밸브(2410)가 폐쇄되고, 생성수 밸브(2412)가 작동을 시작한다.
이후, 도 24f 내지 도 24h를 참조하면, 생성수가 생성 레벨 센서 저장조(2406)를 채움에 따라, 물은 베어링 공급수 저장조(2410)로 진입할 수도 있다. 베어링 공급수 저장조(2410)는 재생 송풍기(2412) 내부의 베어링을 윤활하기 위해 유입하는 생성수를 모은다. 생성수는 도 24g에 도시된 바와 같이, 베어링 공급수 탱크(2410)를 빠져나가 펌프(2414)로 진입할 수도 있다. 펌프(2414)는 생성수를 재생 송풍기로 이동시킨다. 펌프(2414)를 떠난 후, 생성수는 도 24h에 도시된 재생 송풍기(2412)로 진입한다.
이후, 도 24h 내지 도 24i를 참조하면, 송풍기(2412)로의 진입시, 생성수는 송풍기의 샤프트와 베어링 사이의 윤활을 제공한다. 재생 송풍기(2412)를 빠져나온 후, 생성수는 베어링 공급수 저장조(2410)를 통해 레벨 센서 하우징(2404)으로 재진입할 수도 있으며, 이에 대해서는 도 24i를 참조하라.
이후, 도 25 내지 도 25c를 참조하면, 장치를 통한 물의 유동을 보조하기 위해, 통기로가 제공될 수도 있다. 이러한 경로는 장치로부터 공기 또는 증기를 제거시킴으로써 장치를 통한 물의 유동을 보조한다. 통기로는 도 25에 도시되어 있다. 도 25a는 배출 레벨 센서 저장조(2502)로부터 증발기/응축기(2508)의 증기 체스트(2504)까지의 통기로를 도시하고 있다. 이러한 경로는 저장조 내부의 공기가 빠져나가는 것을 허용하여, 더 많은 배출수가 저장조로 진입하게 한다. 유사하게, 도 25b는 생성 레벨 센서 저장조(2506)로부터 증발기/응축기(2508)까지의 통기로를 도시하고 있다. 이러한 경로는 저장조 내부의 공기가 빠져나가는 것을 허용하여, 생성수가 저장조로 진입하게 한다. 마지막으로, 도 25c는 증발기/응축기(2508)의 응축기 영역으로부터, 장치 내부의 공기가 혼합 캔(2510)을 통해 주변 대기로 장치를 빠져나가는 것을 허용하는 통기로를 도시하고 있다. 또한, 이러한 통기로는 장치로부터 작은 양의 증기를 통기시킴으로써 장치의 평형 유지를 보조한다.
이후, 도 26을 참조하면, 작동시, 원수는 도 22 내지 도 22e에 개시된 방식으로 증발기/응축기(2608)의 섬프(2602)로 진입한다. 원수가 초기에 섬프(2602)로 진입할 때, 추가의 열 에너지가 가열 소자를 사용하여 물로 전달될 수도 있다. 대개, 가열 소자가 수증기 증류 장치의 초기 기동 중에 사용될 수도 있다. 그렇지 않은 경우, 히터는 통상 사용되지 않는다. 섬프 내의 원수의 양이 증가함에 따라, 도 26에 도시된 바와 같이, 물은 증발기/응축기(2608)와 섬프(2602) 사이에 위치 설정된 판(2606) 내부의 포트를 통해 섬프를 나와 증발기/응축기의 튜브(2604) 내부로 유동한다. 장치의 초기 기동 중, 증발기/응축기(2608)의 증발기 섹션은 배출 레벨 센서 저장조 내의 물의 양이 충분해질 때까지 원수로 채워진다. 초기 기동 이후, 튜브(2604)는 원수로 채워져 유지된다.
이후, 도 26a 내지 도 26e를 참조하면, 원수는 일단 튜브(2604) 내에서, 튜브(2604)의 외측에 존재하는 고압 증기로부터 튜브 벽을 통한 열 에너지의 전도에 의해 가열된다. 도 26a는 증발기/응축기(2608)의 튜브(2604)를 통해 유동하는 습한 저압 증기를 도시하고 있다. 습한 저압 증기는 증발기/응축기(2608)의 튜브(2604)를 통해 이동하여 도 26b에 도시된 증기 체스트(2610)로 진입한다. 증기가 증기 체스트(2610)의 내부를 통해 유동함에 따라, 증기 내부의 물방울은 증기로부터 분리된다. 이들 액적은 증기 체스트(2610)의 기부에 수집되고 기부에 이미 존재하고 있는 배출수에 더해지게 되며, 이에 대해서는 도 26c 내지 도 26d를 참조하라. 배출수는 도 23 내지 도 23g에 개시된 방식으로 장치 밖으로 유동한다. 건조 저압 증기는 도 26e 내지 도 26f에 도시된 바와 같이 증기 체스트(2610)를 빠져나와 재생 송풍기(2612)로 진입한다.
이후, 도 26f 내지 도 26h를 참조하면, 건조 저압 증기는 일단 재생 송풍기(2612) 내에서, 압축되어 건조 고압 증기가 생성된다. 건조 증기가 압축된 이후, 고압 증기는 재생 송풍기(2612)를 빠져나와 증기 체스트(2610)의 증기 튜브(2614)로 진입한다. 송풍기(2612)를 빠져나와 증기 체스트(2610)의 증기 튜브(2614)로 진입하는 증기를 도시하고 있는 도 26g 내지 도 26h를 참조하라.
이후, 도 26h 내지 도 26j를 참조하면, 증기 튜브(2614)는 증발기/응축기(2608)의 내부 캐비티와 유체 연결된다. 증기 튜브(2614)는 증기가 송풍기(2612)로부터 증발기/응축기(2608)의 응축기 측으로 진입하는 격리된 통로를 제공한다. 고압 증기는 증기 압력을 유지시키고 증기가 오염 물질을 확실하게 포함하지 않도록 하기 위해 격리된다. 건조 고압 증기는 증기 체스트(2610)의 증기 튜브(2614)를 빠져나와 증발기/응축기(2608)의 내부 캐비티로 진입한다. 고압 증기를 포함하는 증발기/응축기(2608)의 내부 캐비티를 도시하고 있는 도 26i를 참조하라. 고압 증기가 증발기/응축기(2608)의 외부면 튜브(2604)와 접촉하는 경우, 증기는 열 에너지를 튜브(2604)로 전달한다. 이러한 에너지는 튜브 벽을 통해 튜브(2604) 내부에 위치한 원수로 전도된다. 에너지가 증기로부터 튜브 벽으로 전달될 때, 증기는 응축하여 유체가 된다. 이러한 유체가 이미 알고 있는 생성수이다. 물방울이 튜브 벽 외측에 형성됨에 따라, 이들 액적은 증발기/응축기(2608)의 기부로 떨어지게 된다. 증발기/응축기(2608)의 내부 캐비티 내부에서의 생성수 형성을 도시하고 있는 도 26j를 참조하라. 캐비티 내부의 생성수의 양이 충분한 경우, 생성수는 도 24 내지 도 24i에 도시된 바와 같이 증발기/응축기 밖으로 유동할 수도 있다.
이후, 도 27을 참조하면, 전술된 장치의 성능에 영향을 미칠 수도 있는 수개의 인자가 존재한다. 이들 인자들 중 하나는 재생 송풍기를 가로지르는 압력 차이다. 도 27은 1리터의 생성수를 생산하는데 필요한 에너지의 양과 재생 송풍기를 가로지르는 압력 변화 사이의 관계를 도시한 차트이다. 이상적으로는, 최소 양의 전기를 사용하여 최대의 생성수가 생성되도록 송풍기를 작동시키기를 원할 것이다. 이러한 그래프를 참조하면, 송풍기를 10.34와 13.79 kPa(1.5와 2 psi) 사이의 압력 차등 상태로 작동시키는 경우, 최소량의 에너지를 사용하여 1 리터의 생성수를 생산하게 된다. 송풍기를 이러한 범위 아래 또는 위의 압력에서 작동시키는 경우, 1리터의 물을 생산하는데 필요로 하는 에너지의 양이 증가하게 된다.
이후, 도 28을 참조하면, 장치의 성능에 영향을 미칠 수도 있는 다른 인자는 증발기/응축기 조립체의 내부 캐비티 안에 설치되는 열 전달 튜브의 개수이다. 도 28은 열 전달 튜브의 개수와 재생 송풍기를 가로지르는 압력의 소정 변화에 대한 생성수의 생산율 사이의 관계를 도시하고 있다. 이 차트로부터, 열 전달 튜브의 개수가 많아질수록 생성수의 생산이 증가하는 것으로 판단된다. 이러한 그래프에 있어서, 시간당 최대량의 생성수를 생산하는 구성은 85개의 튜브를 가지는 조립체이다. 가장 적은 양의 물을 생산하는 구성은 13.79 kPa(2 psi) 아래의 압력에서 단지 43개의 튜브를 가지는 조립체이다.
이후, 도 29를 참조하면, 이 도면은 상이한 열 전달 튜브 구성에 의해 생성되는 생성수의 양을 도시하고 있다. 이러한 그래프에 있어서, 102개 열전달 튜브를 가지는 구성이 최대량의 생성수를 생산한다. 반대로, 짧은 튜브 길이를 가지고 단지 48개의 튜브를 구비한 구성이 최소량의 생성수를 생산한다.
이후, 도 30을 참조하면, 다른 구성보다 작은 개수의 튜브를 구비함에도 불구하고, 48개의 열전달 튜브 구성이 표면적당 더 많은 물을 생성한다. 도 30은 생성수의 양과 열 전달 표면적 사이의 관계를 도시한다. 이 차트는 38.1 cm(15인치)의 튜브 길이를 가지는 48개의 열 전달 튜브 구성이 가장 효율적인 설계임을 보여주고 있다. 최저 효율의 구성은 102개의 열전달 튜브 설계이다. 따라서, 증발기/응축기 내부에 많은 수의 튜브를 가짐으로써, 더 많은 물을 생산할 수도 있지만, 작은 개수의 튜브를 가지는 설계가 자원의 가장 효율적인 사용을 제공할 수도 있다.
이후, 도 31을 참조하면, 도면은 두 개의 48개 열전달 튜브 설계의 성능 차이를 도시하고 있다. 이러한 차트에 있어서, 설계 차이는 튜브의 길이다. 본 그래프는 재생 송풍기를 가로지르는 다양한 압력 변화시에 있어서, 사용되는 에너지 양과 두 개의 구성에 대한 물 생산율을 대조하고 있다. 50.8 cm(20 인치) 길이의 튜브를 가지는 구성이 재생 송풍기를 가로지르는 동일한 압력 차에 있어서 조금 더 작은 에너지를 소모하면서 약간 더 많은 생성수를 생산한다.
제어 방법
압축기에 걸친 압력차에 의해 장치가 발생하는 생성수의 양을 직접적으로 판단한다. 장치로부터 출력되는 특정양의 생성수를 확보하기 위해서, 압축기에 걸친 압력차를 조정할 수 있다. 압축기의 속도를 증가시키는 것에 의해 일반적으로 증발기/응축기 양측에 걸친 압력 차등이 증가하게 되는 결과를 낳는다. 압력 차등을 증가시키는 것은 원수가 청정 생성수로 증발되는 속도를 증가시킨다.
수증기 증류 장치(100)를 제어하는 제한 인자 중 하나는 기계를 작동시키기 위해 요구되는 배출수의 양이다. 충분한 배출수가 없다면, 원수로부터 분리되는 미립자가 장치 내에 잔존하게 된다. 이런 미립자의 축적은 장치의 작동 및 효율에 악영향을 끼친다.
미립자를 장치로부터 확실하게 제거하기 위해서, 미립자를 장치 밖으로 운반하기 위해 존재하는 배출수가 충분한 양이어야만 한다. 특정 환경하에서 장치를 작동시키기 위해 요구되는 배출수가 어느 정도인지 판단하기 위해서, 장치로 유입되는 물(원수)의 수질을 알아야만 한다. 원수가 고농도의 미립자를 갖는 경우, 장치로부터의 미립자를 흡수 및 제거하기 위해서는 더 많은 양의 배출수가 요구된다. 반대로, 원수가 저농도의 미립자를 갖는 경우, 보다 적은 양의 배출수를 필요로 할 것이다.
장치에 의해 발생되는 생성수 및 배수의 양을 제어 및 관찰하도록, 2가지의 다른 제어 방법이 실행될 수도 있다. 이러한 기법은, 장치 내에 위치된 저장조 내의 생성수 및 배출수의 높이를 측정하는 단계와, 장치에 의해 생성되는 배수 및 생성수의 유속을 측정하는 단계와, 유입되는 원수의 수질을 측정하는 단계와, 출력되는 생성수의 수질을 측정하는 단계를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예의 레벨 센서 조립체는 물의 유속 및 수위를 모두 측정할 수도 있다. 수위는 레벨 센서 조립체의 이동에 의해 측정될 수도 있다. 물이 저장조를 채울 경우, 물은 레벨 센서 조립체의 위치의 변동을 야기한다.
레벨 센서 조립체의 위치의 변동, 저장조의 면적 및 수위 변화와 관련한 시간을 파악하는 것에 의해, 물의 유속을 판단할 수도 있다. 플로트 센서(float sensor)를 사용하여 유동을 판단하는 경우, 플로트 센서의 사용으로 인한 압력 강하가 존재하지 않다는 점에서 유리하다. 유속은 장치의 성능 및 성능이 장치의 정상 작동과 일치하는지 여부를 나타낼 수도 있다. 이런 정보에 의해 조작자는 장치가 기능적으로 적절한지 여부를 판단하게 한다. 예를 들면, 조작자가 유속이 정상 작동 조건보다 낮다고 판단한 경우, 스케일링을 위한 증발기/응축기의 튜브나 불순물용 배관 입구 내의 여과기를 체크할 수도 있다. 유사하게, 조작자는 유속을 이용하여 장치에 대한 조정을 할 수도 있다. 이러한 조정은 생성되는 생성수 및 배출수의 양을 바꾸는 것을 포함할 수도 있다. 유속이 장치의 성능을 나타낼 수도 있지만, 이 측정이 반드시 필요한 건 아니다.
입구측 원수 또는 출구측 생성수 중 어느 한 쪽의 수질을 사용하여 수증기 증류 장치의 작동을 제어할 수도 있다. 이러한 제어 방법은 수질에 기초하여 기계의 작동을 판단한다. 일 실시예에 있어서는 생성수의 전도도가 관찰된다. 전도도가 특정 한계를 초과한 경우, 센서는 신호를 보내어 장치의 가동을 중지시킨다. 일부 실시예에 있어서 센서가 존재할 수도 있지만, 이는 전도도 센서로 한정되는 것은 아니다. 대체 실시예에 있어서는 배출수의 전도도를 관찰하는 것을 포함할 수도 있다. 배출수의 전도도가 특정 한계를 초과하는 경우, 센서는 신호를 보내어 장치로 유입되는 원수의 양을 증가시킨다. 원수의 증가는 배출수의 전도도를 감소시킨다. 또 다른 실시예에 있어서, 원수의 전도도가 관찰될 수도 있다. 전도도가 특정 한계를 초과하는 경우, 센서는 신호를 보내어 원수의 유속을 조정한다. 원수의 전도도가 높으면 높을수록 원수 및 배출수의 유속이 빨라지게 된다.
대체 실시예에 있어서, 장치가 정상 상태 모드를 갖는 제어 기법을 포함할 수도 있다. 정상 상태 모드 동안, 장치는 소비 전력량을 감소시킨다. 다른 실시예에 있어서, 정상 상태 모드 동안 가열 소자가 작동하는 것을 유지하여, 섬프 내의 원수가 특정 온도 또는 온도 범위를 유지하도록 할 수도 있다. 섬프 내의 원수의 온도를 유지시키는 것에 의해 기계가 보다 많은 생성수를 발생하기 시작하는 시간량을 감소시킨다. 또한, 정상 상태 모드 동안 재생 송풍기는 기능하지 않고, 입구 및 출구 밸브는 폐쇄된다.
원수의 수질을 분석하도록 원수 샘플에 대해 행해질 수 있는 테스트로서는, 박테리아 테스트, 미네랄 테스트 및 화학 테스트가 포함되지만, 이에 한정되지 않는다. 박테리아 테스트는 샘플 내에 존재할 수 있는 박테리아의 양을 나타낸다. 박테리아 테스트의 가장 일반적인 형태는 총대장균이다.
미네랄 테스트 결과는 물 내의 미네랄 불순물의 양을 나타낼 수도 있다. 많은 양의 미네랄 및 다른 불순물은 건강 위해성을 내포하고 물의 유용성 및 외양에 영향을 미친다.
행해질 수 있는 또 다른 형태의 물 테스트로는 화학 테스트를 들 수 있다. 많은 인공 화학 물질은 급수를 오염시키고 잠재적 물 소비자에 대해 건강 위해성을 내포하고 있다. 불특정 화학 물질 오염균에 대한 테스트는 고가이기 때문에, 특정 화학 물질 또는 화학 물질의 종류가 물 내에 존재한다고 의심되지 않는 한, 이런 종류의 테스트는 정기적으로 행해지지 않아도 좋다. 그러나, 특정 화학 물질이 원수 내에 존재한다고 의심된다면, 테스트가 행해질 수도 있다. 일부 특정 수질 테스트의 예에 대해 아래에 기술한다.
pH - 물의 상대적 산성도를 측정한다. pH 레벨 7.0은 중성으로 간주된다. 순수(純水)는 pH 7.0을 갖는다. 7.0보다 낮은 pH 레벨을 갖는 물은 산성으로 간주된다. pH가 낮으면 낮을수록, 물은 더 산성이다. 7.0보다 높은 pH를 갖는 물은 염기성 또는 알칼리성으로 간주된다. pH가 높으면 높을수록, 그 알칼리성도가 더 높아진다. 미국에서, 중성물의 pH는 통상적으로 6.5와 8.5 사이이다. 5 미만 9.5 초과의 pH를 갖는 담수원은 식물 또는 동물종을 유지시킬 수 없을 수도 있다. pH는 테스트 기술 분야에 있어서의 임의의 공지 기술을 사용하여 판단될 수도 있다.
온도 변화가 pH 값에 영향을 미치기 때문에, pH는 원수 테스트 위치에서 곧바로 측정되는 것이 바람직하다. 호수, 개울, 강, 웅덩이 등을 이용하는 경우, "제방"으로부터 떨어진 위치에서 수면 아래의 물 샘플을 취하는 것이 바람직하다.
질산염(nitrate) - 질산염은 단백질을 형성하도록 모든 동식물에 의해 요구되는 성분이다. 수상 생태계에 있어서, 질소는 다양한 형태로 존재한다. 그것은 산소와 결합하여 질산염으로 불리는 화합물을 형성할 수도 있다. 질산염은 화학 비료, 하수 및 산업 폐기물로부터 나올 수도 있다. 그들은 호수나 연못의 부영양화를 유발할 수도 있다. 부영양화는 (질산염 및 인산염과 같은) 영양소가 수역(body of water)에 부가될 경우 발생한다. 이러한 영양소는 통상적으로 농지 및 잔디로부터의 빗물, 하수, 세제, 가축 분료 및 누설되는 부패성 시스템으로부터 나올 수도 있다. 질산염의 존재는 테스트 기술 분야에 있어서의 임의의 공지 기술을 사용하여 판단될 수도 있다.
탁도 - 탁도는 물이 얼마나 투명한지 또는 얼마나 탁한지를 나타낸다. 정수는 낮은 탁도 레벨을 갖고 탁수 또는 흙탕물은 높은 탁도 레벨을 갖는다. 높은 레벨의 탁도는 흙, 침전물, 하수 및 플랑크톤과 같은 물 내에 부유 미립자에 의해 유발될 수도 있다. 흙은 근처의 토지로부터의 빗물 또는 부식에 의해 물로 유입될 수도 있다. 침전물은, 예를 들어 물고기 또는 인간에 의한 물 내의 과격한 행동에 의해 골고루 뒤섞일 수도 있다. 오수는 쓰레기 배출의 결과이며, 높은 레벨의 플랑크톤은 물 내의 지나친 영양물에 인해 존재할 수도 있다.
물의 탁도가 높은 곳에서는, 그 안에 다수의 부유 미립자가 존재한다. 이러한 고체 미립자는 광선을 차단하여 수중 식물이 광합성에 필요한 광선을 얻는 것을 방해한다. 식물이 산소를 보다 적게 생산함으로써, DO 레벨이 감소한다. 식물은 더 쉽게 죽게 되고, 물 내의 박테리아에 의해 부패되는데, 이는 DO 레벨을 더욱 감소시킬 것이다. 탁도는 테스트 기술 분야에 있어서의 임의의 공지 기술을 사용하여 판단될 수도 있다.
대장균- 급수 내에 대장균 박테리아가 존재하는 곳은, 급수가 하수 또는 다른 부패한 쓰레기에 의해 오염되었다는 표시이다. 통상적으로 대장균 박테리아는 물의 표면막 상에서 또는 바닥의 침전물 내에서 보다 많이 발견된다.
인간 및 다른 온혈 동물의 장에서 발견되는 분변성 대장균이 일종의 대장균 박테리아이다. 급수 내의 분변성 대장균의 존재는 오수가 물을 오염시켰다는 좋은 지표이다. 테스트는 특정 분변성 대장균에 대해서 또는 모든 대장균 박테리아 계통을 포함하는 총대장균 박테리아에 대해서 행해질 수도 있어, 분변 오염을 나타낼 수도 있다. 대장균의 존재는 테스트 기술 분야에 있어서의 임의의 공지 기술을 사용하여 판단될 수도 있다.
동작 시 수기계(water-machine)가 원수 및/또는 생성수에 대해 전도도 테스트를 행하여 시스템에 유입 및 방출되는 수질을 판단할 수도 있다. 이러한 테스트는 시스템 입구 및 출구 배관에 설치된 전도도 센서를 사용하여 행해질 수도 있다. 고전도도를 갖는 물은 물이 많은 양의 불순물을 갖는다는 것을 나타낸다. 반대로, 저전도도를 갖는 물은 물이 낮은 레벨의 불순물을 갖는다는 것을 나타낸다. 이러한 형태의 테스트가 일반적이며, 분석될 물의 순도/수질의 일반적인 지표만을 제공한다.
다른 형태의 테스트를 행함으로써, pH, 경도, 염화물, 색상, 탁도, 황산염, 염소, 아질산염/질산염 및 대장균을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 물 불술물/특성들의 특정 레벨이 분석될 수도 있다. 일반적으로 기계로 유입 또는 방출되는 물을 분석하기 위해, 조작자는 먼저 물 샘플을 획득할 수도 있다. 소정의 샘플을 얻은 후, 미국 80539-0389 콜로라도주 러브랜드 소재의 하크사(Hach Company)로부터 입수 가능한 물 테스트 장비를 사용하여 물이 테스트될 수도 있다. 물의 순도를 테스트하는 다른 방법으로서, 물을 분석용 실험실로 보내는 단계를 포함해도 좋다.
물 증류 시스템
또한 본원에 개시한 바와 같은 전술된 물 증류용 장치는 본원에서 참고 문헌으로 인용된 건으로서, "분산형 유틸리티를 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭으로 2007년 5월 17일자로 공개된 미국 특허출원 공개 제US 2007/0112530 Al호에 기술된 바와 같은 분산 시스템으로 실행될 수도 있다. 또한, 관찰 및/또는 통신 시스템이 본원에서 참고 문헌으로 인용된 건으로서,"분산형 유틸리티를 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭으로 2007년 5월 17일자로 공개된 미국 특허출원 공개 제US 2007/0112530 Al호에 기술된 바와 같은 분산 시스템의 범위 내에 포함될 수도 있다.
대체 실시예
증류기/수증기 증류 장치의 예시적인 실시예에 대해 기술하였지만, 증류기의 대체 실시예로서 증류기(즉, 열교환기, 증발 응축기, 압축기 등)의 특정 요소에 대한 대체 실시예를 포함시키는 것이 고려된다. 따라서, 일부 대체 실시예에 있어서, 하나 이상의 요소가 본원에서 기술한 대체 실시예 요소로 대체된다. 일 실시예에서 기술한 바와 같은 시스템이 증류기로서 예시적인 실시예를 이용하는 것과 같이, 일부 실시예에 있어서는 전체 증류기가 대체 실시예에 의해 대체되는 반면, 다른 실시예에 있어서는 시스템이 대체 실시예를 이용한다.
도 32 내지 도 32c를 참조하여, 액체 링 펌프(3200)를 갖는 수증기 증류 장치의 대체 실시예에 대해 기술한다. 링 펌프는, 도 32 내지 도 32c에 도시한 바와 같이 마찰 손실을 최대한으로 감소시키면서도 디자인의 단순함 및 제품의 비용 효율성을 유지하는 완전 회전 가능한 하우징을 포함할 수도 있다. 도 32에서 알 수 있는 바와 같이, 고정자(3202)는 회전자(3204)에 대해 고정적이고, 흡입구(3206)및 출구(3208)를 포함한다. 증기는 압력(P1)으로 빨려 들어가고, 회전자 챔버(3210)를 통과한다. 회전자(3204)는 회전 하우징 및 액체 링 펌프가 중심에 놓인 중앙축(Z)으로부터 오프셋된다. 회전자(3204)가 회전자 베어링(3214)을 구비한 중심축(3212)을 중심으로 회전하기 때문에, 챔버(3210)의 유효 체적이 감소된다. 도 1의 증발기/응축기(104)로 루트가 정해지도록 회전 경로를 따라 출구(3208)로 운반됨에 따라, 증기는 압력(P2)으로 압축된다. 회전 하우징(도시 생략)은 마찰로 인한 에너지 손실을 줄이도록 액체 링 펌프 내의 액체 링과 함께 회전하는 것이 바람직하다.
도 32a 및 도 32b를 참조하면, 고정자(3202)는 입력 및 출력 영역에 있어서 지지 구조체(3216)를 갖는다. 회전자(3204)의 개별 베인(3218)은 도 32a 및 도 32b에 도시한 고정자(3202)의 평면도에 있어서 지지 구조체(3216) 아래쪽에서 볼 수 있으며, 중심축을 중심으로 회전자(3204)와 동심으로 배치된다. 본 특정 실시예의 액체 링 펌프는 축방향으로 공급되고 축방향으로 배출되며, 동작 중에 수직, 수평 또는 다른 배향을 가질 수도 있다. 도 32c는 본 실시예의 또 다른 도면이다.
액체 링 펌프(3200)는 입력과 출력 압력 사이의 상당히 좁은 범위 내에서 동작하도록 설계되므로, 일반적으로, 장치는 대략 5 내지 15 psig 범위 내에서 동작한다. 장치 압력은 도 32 내지 도 32c의 챔버(3210)로부터 증기를 방출하는 체크 밸브를 사용하여 조절될 수도 있다. 장치의 향상된 성능은, 배기 포트의 출구(3208)를 회전자 축 중심으로 특정 회전 각도로 위치시키는 것에 의해 바람직하게 획득되는데, 여기서 특정 회전 각도는 증류기 동작 동안에 요구되는 압력 증가에 대응한다. 장치 압력을 조절하기 위한 특정 포트 개방 각도의 일 실시예를 도 32a에 도시한다. 출구(3208)는 회전자 액세스에 대해 대략 90도 회전하여 위치되어, 챔버(3210)로부터 증기가 배출되게 된다. 고정자축에 대해 높은 회전 각도로 출구(3208)를 위치시키면 장치 압력이 높아지고 펌프 처리량이 낮아지는 반면, 고정자축에 대해 낮은 회전 각도로 출구(3208)를 위치시키면 장치 압력이 낮아지고 펌프 처리량이 높아지게 된다. 장치 압력을 최적화하도록 출구(3208)의 위치를 선택하는 것에 의해 향상된 펌프 효율성을 가져올 수도 있다. 또한, 장치 압력을 유지시키기 위한 출구(3208)의 배치에 의해 챔버(3210)에 대하여 배기 포트에서 체크 밸브를 제거하여 장치의 복잡성을 최소화하고, 이에 따라 보다 단순하고 보다 비용 효율적인 압축기를 제공할 수도 있다.
이제 도 32d를 참조하면, 동작 중 성능을 최적화하도록, 압축기에 있어서의 액체 링의 깊이를 측정하는 것이 바람직할 수도 있다. 본원에 개시된 실시예에 있어서, 액체 링 펌프 하우징(3232)은 펌프 내의 액체 링과 함께 회전하고, 유체의 온도는 일반적으로 110℃ 정도이다. 링 깊이를 측정하는 방법으로는, 초음파, 레이더, 플로트, 유체 전도도 및 광센서를 사용하는 것과 같은 통상의 방법 중 임의의 하나를 포함한다. 회전 하우징의 복잡성으로 인해, 이러한 측정에 대한 바람직한 실시예로서는 정전 용량 센서의 사용을 들 수 있는데, 여기서 축전기 내의 유체의 깊이가 변함에 따라, 축전기의 정전 용량이 또한 변하게 된다.
도 32d를 계속 참조하면, 디스크 형상의 축전기 센서판(3234)이 회전 하우징(3232)의 바닥면(3236A)과 회전자(3204)의 바닥면(3204A)으로부터 등거리를 두고 회전 하우징(3232)의 바닥부에 장착된다. 따라서 축전기는 하우징(3232), 회전자(3204) 및 축전기 센서(3234)에 의해 형성된다. 리드(3240)는 축전기를 축전기 센서(3234)로부터 회전 하우징축(3236)내의 통로(3236A)를 통해 공심 변압기의 2차 회로(3242), 바람직하게는 페라이트(도시 생략)에 접속시킨다. 일 실시예에 있어서, 2차 회로(3242)는 축전기판과 동일한 속도로 회전하고, 페라이트 공심 변압기의 일차 회로와 유도 통신한다. 일차 권선(3238)은 고정적이며, 레벨 측정 축전기로의 신호 및 레벨 측정 축전기로부터의 신호가 변압기를 통해 통신되는 방식으로, 깊이 정보를 회전 위치로부터 고정 위치까지 전달시키는 것이 가능하다. 정전 용량은 변압기 2차 회로측의 인덕턴스(L)를 이용하여 축전기(C)의 LC 공진을 판단함으로써 측정된다. 예시적인 실시예에 있어서, LC 발진기 회로가 구성되고, 발진 주파수가 정전 용량의 측정으로서 이용된다.
도 32e를 참조하면, 본 도면은 오염된 유체 액적이 증기에 수반되어 함께 도 1의 증발기/응축기(104)로 운반되는 것을 방지하기 위한 펌프(3200)의 대체 설계에 대해 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 액체 링 펌프(3200)는 증발기/응축기(104)의 헤드 공간 내에 있고, 분무는 회전 하우징(3232)이 회전함에 따라서 제거되는데, 여기서 회전은 사이클론 효과를 생성하여, 원심력에 의해 분무 및 물 액적이 이탈하여, 증류기 하우징과 충돌하고 섬프 내의 물로 떨어진다. 또한 회전 하우징(3232)와 고정 하우징(3228) 사이의 환형 공간 내의 증기의 순환 및 회전을 증가시키도록 회전 하우징(3232)의 외측으로부터 연장하는 핀(3244)이 있을 수도 있다. 증발기/응축기(104)에 증기의 통로를 위한 증기 출구(3242)를 제공한다.
이제 도 32f 내지 도 32g를 참조하면, 액체 링 펌프(3200)의 대체 실시예는 회전자(3258)와 단일의 2 채널 고정자/본체(3256)를 둘러싸는 외측 회전 하우징(3254)을 구비하는 링 펌프(3252)를 포함할 수도 있는데, 여기서 회전 하우징(3254)과 고정식 고정자/본체(3256) 사이의 밀봉면은 실린더이다. 2 채널 고정자/본체(3256)는 회전자(3258)와 회전 하우징(3254) 뿐만 아니라 펌프(3252)의 챔버(3260)에 대하여 고정 상태를 유지하고, 흡입구(3262) 및 출구(3264)를 포함한다. 증기는 압력(P1)으로 빨려들어가고, 흡입구 오리피스(3266)를 통과한다. 회전자가 고정식 고정자(3256) 주변을 회전함에 따라서 흡입구 오리피스(3266)가 회전자(3258) 내의 흡입구 구멍(3268)과 정렬되는 경우, 증기는 흡입구 구멍(3268)을 통과하여 회전자 챔버(3270)로 유입된다. 회전자(3258)는 중심축(Z)으로부터 오프셋되어 있으므로, 회전자(3258)가 회전함에 따라서 회전자 챔버(3270)의 유효 체적은 감소하게 된다. 이런 방식으로, 증기는 회전 경로를 따라 회전자(3258) 내의 출구 구멍(3272)으로 운반됨에 따라 압력(P2)으로 압축된다. 회전자(3258)가 회전함에 따라, 출구 구멍(2)은 고정식 출구(3264)의 출구 오리피스(3274)와 정렬되고, 압력(P2)의 증기가 증발기/응축기로 루트가 정해지도록 출구 오리피스(3274)를 통과하여 출구(3264)로 나아간다. 이러한 실시예에 있어서, 회전 하우징(3254)은 챔버(3260)에 존재하는 물(3276)과 함께 회전함으로써, 유극으로 인한 마찰 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 하우징(3254) 내에 존재하는 작은 구멍(3278)으로 인해, 물(3276)이 챔버(3260)에 이탈 및/또는 유입하도록 허용함으로써, 펌프 내의 유체 레벨을 제어할 수도 있다. 또한, 회전자(3258)는 도 32g에서와 같이 회전자(3258)를 위쪽에서 보았을 경우 쉽게 식별할 수 있는 다중 베인(3280)을 갖는다. 또한, 개별의 회전자 챔버(3270) 및 각각의 회전자 챔버(3270)에 대한 개별의 흡입구 구멍(3268 )과 출구 구멍(3272)을 상기 도면으로부터 쉽게 볼 수 있다.
도 32h를 참조하면, 액체 링 펌프의 또 다른 대체 실시예에 대해 도시하는데, 여기서 회전 하우징(3254)과 고정자(3256) 사이의 경계면은 원통 형상이 아닌 원뿔 형상이다. 본 실시예에 있어서, 회전자 구동축(3282)은 회전 가능한 회전자 하우징(3254)이 회전자(3258)와 함께 회전하도록 하는 베어링(3284)의 상부에 위치된 단부(3286)를 갖는다. 대응하는 흡입구 오리피스(3266) 및 출구 오리피스(3274)와 함께 흡입구(3262) 및 출구(3264)는 회전자(3258) 및 회전자 하우징(3254)에 대하여 고정 상태를 유지한다.
이제 도 32f, 도 32h 및 도 32i를 참조하면, 또한 다른 실시예는 고정식 섹션(3264, 3262)과 회전자(3258) 사이에 존재하는 원뿔 형상 또는 축 방향 밀봉부(3282) 중 하나를 포함할 수도 있다. 도 32i에 가장 명확하게 도시된 원뿔 형상의 실시예에 있어서, 밀봉부(3282)는 회전자(3258)의 출구 오리피스(3274)로부터 흡입구 오리피스(3266)를 분리시켜 누출을 방지한다. 축방향으로 공급되고 반경 방향으로 배출되는 도 32 내지 도 32c(위를 보라)를 참조하여 기술한 액체 링 펌프의 실시예와는 대조적으로, 도 32e 내지 도 32i 및 도 7에 도시한 액체 링 펌프는, 축방향으로 공급되고 축방향으로 배출된다.
대체 실시예에 있어서, 수증기 증류 장치는 배압(back pressure) 조절기를 포함할 수도 있다. 배압 조절기는 압력 하에서 수행되는 프로세스의 안전하고 최적의 동작을 유지시키는데 도움을 줄 수도 있다. 동작 시, 수증기 증류 장치는 염수 또는 해수를 음료수로 정화하도록 배압 조절기를 포함할 수도 있으며, 개시 시의 휘발성 성분에 기인하거나, 한계 사양을 벗어나 작동하고 있는 압축기로부터 생성되는 장치 압력은 이러한 압력이 안전한 방식으로 완화되지 않은 경우 조작자에게 위험 요소가 될 수도 있다. 게다가, 개시 시에 공급 흐름 내에 존재하는 휘발성 성분은 장치의 적절한 작동을 방해하는 오염 물질을 제공할 수도 있다. 배압 조절기는 초과 압력을 완화하는 기능을 할 수도 있고, 동작 장치를 요구된 동작 압력으로 되돌리는 기능을 할 수도 있다.
상술한 수증기 증류 장치의 실시예는 일반적으로 대기압보다 높은, 대략 10 psig 정도에서 작동한다. 이러한 장치는 높은 압력하에서 고밀도의 증기를 유리하게 제공함으로써, 낮은 압력하에서 보다 많은 증기가 정변위 펌프(positive displacement pump)를 통해 펌핑되도록 한다. 얻어진 높은 처리량은 전반적으로 향상된 시스템 효율성을 제공한다. 또한, 처리량 및 시스템 압력이 높으면 높을수록 압축기에 요구되는 전력이 줄어들고, 2개의 추가 펌프(하나는 응축된 생성수를 펌핑하는 것이고, 다른 하나는 배출 흐름을 펌핑하는 것)가 필요하지 않게 된다. 많은 형상이 외부 압력보다 내부 압력에 대해 더 저항하기 때문에, 전반적인 구성이 단순화된다. 중요하게는, 대기압 이상의 압력에서의 작동은 전반적인 효율성 및 성능에 대해 작은 누설이 미치는 영향을 감소시킨다. 공기와 같은 응축 불가능한 가스는 응축 프로세스를 억제하며, 대기압 이하의 압력에서 확대될 것이며, 여기서 대기압 이상의 압력에서의 시스템 작동 시 발생하지 않는 작은 누설이 공기를 흡수하는 역할을 할 것이다.
이제 도 33 및 도 33a를 참조하면, 이들 도면은 대기압을 넘어 장치를 작동시키는 경우 수증기 증류 장치(100)에 합체될 수도 있는 배압 조절기에 대한 설명도이다. 배압 조절기(3300)는 오리피스(3304)를 포함하는 용기(3302)를 갖는다. 오리피스의 일 측은 변동하여 상승된 압력에 노출될 수도 있는 장치의 가압 도관(예를 들어, 증기 압축 증류 장치 내의 압축기의 출구)에 연결된다. 오리피스의 타측은 포트(3306)까지 이어진다. 포트(3306)는 볼 형상인 가동 정지부(3308)에 의해 덮힌다. 정지부(3308)는 피봇 핀(3314)으로부터 일정 거리에서 리테이너(3312)에 의해 아암(3310)에 보유 지지된다. 아암(3310)은 오리피스 포트(3306)에 대해 고정된 관계를 갖는 한 지점에서 피봇 핀(3314)을 통해 힌지식으로 부착된다. 아암(3310)은 축(3318)을 따라 이동 가능한 아암으로부터 매달린 카운터 질량체(3316)를 포함하여, 카운터 질량체(3316)와 피봇 핀(3314) 사이의 거리는 변동될 수도 있다. 도 33에 도시한 실시예에 있어서, 오리피스(3304)의 축 방향은 중력 벡터(3320)의 방향에 수직이다. 또한, 배압 조절기는 이물질이 조절기로 유입되어 내부 부품의 기능을 방해하는 것을 방지하는 하우징을 포함해도 좋다.
도 33 및 도 33a을 계속 참조하면, 동작 시에 가압 도관의 압력이 소정의 설정점 아래일 경우, 아암(3310)은 중력 방향(3320)에 대해 수평 위치를 유지한다. 이러한 아암 위치는 본 실시예에 있어서 폐쇄 위치로서 알려지며, 포트(3306)를 덮는 정지부(3308)에 대응한다. 도관의 압력이 설정점을 초과하는 경우, 정지부(3308)에 대해 힘이 가해지는데, 이는 결과적으로 피봇 핀(3314)에 대해 작용하는 토크가 된다. 토크가 아암(3310)을 반시계 방향으로 피봇 핀(3314)을 중심으로 회전시킴으로써, 아암은 그 폐쇄 위치로부터 멀어져 포트(3306)를 노출시키는데, 이에 의해 유체가 오리피스(3304)로부터 배출되게 된다. 도관의 압력이 설정점 이하로 완화되는 경우, 가스의 힘은 더 이상 아암(3310)을 그 폐쇄 위치로부터 멀어지도록 하기에는 충분하지 않다. 따라서, 아암(3310)은 폐쇄 위치로 되돌아가고, 정지부(3308)는 포트(3306)를 덮는다.
도 33 및 도 33a를 계속 참조하면, 아암(3310)은 조정 가능한 모멘트를 생성하는 레버로서 작용하고 정지부(3308)를 통해 카운터 질량체(3316)에 의해 포트(3306)로 가해지는 힘을 배가시키는 역할을 한다. 이와 같은 힘의 배가는, 압력 쿠커(pressure cooker) 내에서처럼 정지부(3308)만이 오리피스(3304)의 상부 상에서 수직으로 작용하는 설계와는 대조적으로, 오리피스(3304)를 폐쇄시키기 위해 필요한 중량을 감소시킨다. 따라서 가압 도관으로부터 신속하게 방출되는 것을 증진시키기 위한 큰 사이즈의 포트는 비교적 경량인 큰 사이즈의 정지부에 의해 덮일 수 있으며, 카운터 질량체는 소정의 설정점을 조절하는 역할을 하고, 특정 포트 사이즈 및 정지부 특성을 선택하는 것에 의해 설계에 대한 수고를 덜 수 있다. 본 실시예에 있어서 카운터 질량체(3316)의 위치를 조절하는 축(3318)의 부가는 배출수 비율을 변화시킨다. 카운터 질량체(3316)가 피봇 핀(3314)에 근접한 위치로 이동됨에 따라서, 배출수 비율이 감소되어 낮은 폐쇄력을 생성한다. 카운터 질량체(3316)가 피봇 핀(3314)으로부터 보다 멀리 이동하는 경우, 배출수 비율은 증가하게 되고, 따라서 폐쇄력이 증가한다. 따라서, 카운터 질량체(3316)의 위치는 배압 조절기의 설정점을 조절하는데 효과적인 역할을 한다.
배압 조절기 설정점에 대한 조정은 배압 조절기가 보다 높은 고도에 있는 장치 내에서 이용될 경우 유용할 수도 있다. 대기압이 낮을 경우, 장치 동작 압력은 같은 정도의 크기로 낮아지게 된다. 그 결과, 증류 장치의 온도는 낮아지게 되고, 이는 장치의 성능에 악영향을 미친다. 게다가, 그러한 조정은 실수요자에 의해 요구되는 배압 조절기에 대한 설정점을 확인하게 만든다. 또한 폐쇄력을 가하는 카운터 질량체의 사용은 배압 조절기의 비용을 낮추고 구성 성분의 피로를 줄인다. 특정 실시예에 있어서, 조정 가능한 카운터 질량체는 실질적으로 10 psig 이하의 가장 낮은 설정점과 실질적으로 17 psig 이상의 가장 높은 설정점을 갖는 설정점 범위를 허용하도록 설계된다. 이러한 다양한 실시예는 단순히 안전 방출 밸브로서 역할하는 장치와는 달리 정확한 장치 압력 조절을 가능하게 한다.
이제 도 33b 내지 도 33c를 참조하면, 본 도면은 포트(3328)가 중력 방향(3320)에 대하여 수직으로 배향되도록 구성되는 오리피스(3326)를 갖는 배압 조절기(3300)의 다른 실시예에 대해 도시한다. 따라서 다른 실시예는 조정 가능한 카운터 질량체의 사용을 유지하면서, 임의의 오리피스 배향을 수용할 수도 있다.
배압 조절기는 열 교환을 단열하고 시스템 내의 비등을 억제하는 역할을 하는 휘발성 가스의 축적을 제거하기 위해 설정점 미만의 작은 누설률을 허용하도록 구성될 수 있다. 그러나, 조절기는 이 작은 누설에도 불구하고 가압 도관 내에 압력이 형성되도록 설계된다. 일 실시예에 있어서, 배압 조절기의 설정점 미만에서의 가압 도관으로부터의 휘발성 성분의 방출은, 배압 조절기의 아암이 폐쇄 위치에 있는 동안에도 특별하게 설계된 누설 통기구를 통해서도 달성될 수 있다. 누설 통기구는 도관 내의 압력이 설정점 미만일지라도 포트 또는 오리피스로부터 임의의 누설률을 허용하도록 구성된다. 그러한 누설 통기구는 당해 기술 분야의 당업자에게 알려진 다양한 방법에 의해 설계될 수도 있다. 제한적이지 않은 일예는 아암이 폐쇄 위치에 있는 동안 작은 개구를 허용하는 포트 및 정지부의 특정 위치 설정을 하는 것, 정지부에 의해 덮여지지 않는 작은 구멍이 항상 노출되도록 포트를 설계하는 것, 아암이 폐쇄 위치에 있는 경우 정지부와 포트 사이에 강성의 유연성이 없는 밀봉부 구성을 지정하는 것 및 유체의 누설을 허용하는 작은 개구를 갖도록 포트로 통하는 오리피스를 구성하는 것을 포함한다.
이제 도 33d 내지 도 33g를 참조하면, 이들 도면은 설정점 미만에서 휘발성 물질의 누설을 허용하는 배압 조절기(3300)의 대체 실시예에 대해 도시한다. 일 대체 실시예에 있어서, 도 33d 및 도 33d의 C영역의 상세를 도시한 도 33e에 도시한 바와 같이 포트(3332)는 노치(3334)를 갖는다. 따라서, 정지부가 포트(3332)와 접촉하고, 배압 조절기의 아암이 폐쇄 위치에 있을 경우, 누설 통기구는 유체의 누설을 허용하는 노치(3334)의 위치에 존재한다. 배압 조절기(3300)의 또 다른 대체 실시예에 있어서, 도 33f 및 도 33f의 E영역의 확대를 도시한 도 33g에 도시한 바와 같이, 오리피스(3336)는 작은 개구(3338)를 갖는다. 개구(3338)는 유체가 개구(3338)를 통해 누설될 수도 있기 때문에, 정지부가 포트(3336)를 덮을 경우 누설 통기구가 생성되도록 구성된다.
배압 조절기의 다양한 특성이 대체 및 변형될 수도 있다. 예를 들어, 배압 조절기에 사용될 수 있는 정지부는 본원에서 논의된 일부 실시예에서 도시한 바와 같이 볼 형상일 필요는 없으며, 소정의 작동 조건에 부합하는 임의의 형상, 사이즈 또는 질량을 가질 수도 있다. 게다가, 다른 중량이지만 비슷한 사이즈의 정지부가 조절기의 설정점을 변경하기 위해 리테이너와 함께 이용될 수도 있다. 유사하게, 다른 사이즈, 형상 및 질량의 카운터 질량체가, 그것이 축 및 아암 구성에 의해 수용되는 다양한 실시예와 함께 사용될 수도 있다(도 33 및 도 33a의 3316과 도 33b 및 도 33c의 3330을 비교). 그러한 카운터 질량체는 당해 기술 분야의 당업자에게 명백한 다양한 기술에 의해 아암에 대해 배향 및 부착될 수 있다. 피봇 핀은 도 33 내지 도 33c에 도시한 바와 같이 위치 설정될 필요는 없고, 특정한 압력 설정점을 얻기 위해 요구되는 기계적인 장점을 제공하기에 유리한 곳이라면 어디라도 위치 설정될 수 있다.
다시 도 33을 참고하면, 배압 조절기(3300)의 다른 실시예가 앞서 기술한 드레인 오리피스 특성을 선택적으로 이용해도 좋다. 또한, 배압 조절기(3300)의 실시예는 배압 조절기에 대한 설정점을 제공하는 정지부의 특정 특성에 의존하여, 카운터 질량체의 힘 조절 특성을 이용하지 않을 수도 있다.
수증기 증류 장치의 다른 실시예는 용기를 이용하지 않고 시스템 본래의 부분인 오리피스에 의존할 수도 있다. 그러한 경우에 있어서, 배압 조절기 아암은 아암, 정지부 및 카운터 질량체가 조절기의 동작에 대해 적절히 배향되도록 시스템의 일부분에 직접 부착될 수도 있다.
이제 도 34를 참조하면, 용기(3302)는 드레인 오리피스(3322)를 포함한다. 배압 조절기(3300)는 대형 시스템(3400)의 경계 구역(3402) 내에서 작동하기 때문에, 드레인 오리피스(3322)는 가압 도관(3404)으로부터 오리피스(3304)를 통해 경계 구역(3402)으로 제거되는 유체를 배출하기 위한 통로로서 작용한다. 드레인 오리피스(3322)는 경계 구역(3402)을 대형 시스템의 또 다른 영역에 연결할 수도 있고, 또는 외부 환경(3406)에 연결할 수도 있다. 또한, 경계 구역(3402) 내의 가스의 축적은 그런 가스의 응축을 야기할 수도 있다. 또한, 오리피스(3304)를 통해 제거되는 가스는 경계 구역(3402) 내에 축적될 수도 있는 유체의 액적과 함께 혼입될 수도 있다. 또한, 그러한 드레인 오리피스(3322)는 경계 구역(3402) 내에 축적되는 임의의 응축 가능물의 축적을 제거하는데 사용될 수도 있다. 또한 응축 가능물은 분리된 오리피스(3408)를 사용하여 경계 구역으로부터 방출될 수도 있다.
이제 도 35를 참고하면, 대체 실시예에 있어서 장치는 다음과 같이 장치에 있어서의 스케일링 및 다른 축적을 방지하도록 일정한 배출수 흐름을 유지할 수도 있다. 헤드 챔버(3504) 내의 수위(3502)는 배출 흐름(3508)을 통해 적절한 물 흐름을 유지시키도록, 레벨 센서(Ll), 밸브(Vl) 및 소스 펌프(3506)를 사용한 피드백 제어 루프를 통해 조절된다. 3 방향 소스 펌프 필 밸브(3510)는 섬프(3512) 내로 물을 펌프하도록 설정되어, 헤드 챔버(3504) 내의 수위(3502)를 높인다. 유체 레벨(3502)이 헤드 챔버(3504) 내에서 높아짐에 따라, 유체가 넘쳐 댐 형상의 차단부(3514)를 지나 배출 레벨 센서(Ll)를 포함하는 배출 제어 챔버(3516) 내로 유동한다. 필요한 경우, 배출 밸브(Vl)는 열교환기(3518)를 통한 배출 제어 챔버(3516)로부터의 물 유동이 열을 추출하여 배출 흐름(3508)을 냉각하고, 증발기 섹션(3524)으로부터의 고온 가스 및 증기(3522)의 냉각시키고 이어서 폐기부(3526) 밖에서 배출 흐름을 완료시키는 것을 허용하는 휘발성 믹서(3520)를 통해 밸브(V1) 밖으로 유동하는 것을 허용하도록 제어된다.
또한, 도 35를 계속 참조하면, 장치는 다음과 같이 적절한 생성수 흐름을 유지할 수도 있다. 생성 레벨(3528)이 응축기 챔버(3530) 내에서 증가되어, 생성 레벨 센서(L2)가 수납된 생성 제어 챔버(3532)로 유입된다. 레벨 센서(L2) 및 밸브(V2)와 함께 피드백 제어 루프를 사용하여, 생성수 흐름(3534)은 생성 제어 챔버(3532)로부터 열교환기(3518)를 통해 유동하도록 제어되어, 열을 추출하고 생성수 흐름(3534)을 냉각한 후, 밸브(V2)를 통해 배출되어 생성수 출구(3536)로서 생성수 흐름을 완료한다.
시스템은 유체 손실을 보충하게 위해서 유체 회복 시스템의 사용에 의해 적절한 액체 링 펌프(3538) 수위를 유지하도록 구성되는 것이 바람직할 수도 있다. 하부 저장조(3540)로의 누출, 배기 포트(3542)를 통한 방출 및 증발을 포함하는 여러 가지 방법에 의해 시스템 동작 중에 링 펌프로부터 유체가 고갈될 수도 있다. 누설 및 방출 손실은 회전 속도 및 액체 링 펌프(3538) 처리량과 같은 작동 인자에 따라 커질 수도 있다. 이와 같은 누설 및 방출 손실은 시간당 수차례의 펌프 내의 총 유체의 교체를 요구할 수 있다. 대체로 증발 손실은 적다.
도 35를 참조하면, 링 펌프(3538) 내의 유체 레벨은 추가의 원수나 생성수를 부가함으로써, 또는 바람직하게는 시스템 효율성을 향상시키기 위해 액체 링 펌프로부터의 액체수 손실을 재순환함으로써 유지될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 링 펌프(3538) 내의 유체 레벨은 하부 저장조(3540)에 축적된 유체의 재순환에 의해 일차적으로 유지된다. 유체는 액체 링 펌프(3538)로부터의 누설과, 배기관(3542)으로 배출되고 분무 제거기(3544)에 포획된 후 하부 저장조(3540)로 펌핑되는 유체에 의해 하부 저장조(3540) 내에 축적될 수도 있다. 다르게는, 배기관(3542)으로 배출되어 분무 제거기(3544)에 포획된 유체는 액체 링 펌프 배기 포트를 통해 복귀될 수도 있다. 하부 저장조에 축적된 유체는 여러 펌핑 기구 중 하나에 의해 재순환될 수도 있다. 일 예시적인 방법으로서는 사이펀(siphon) 펌프의 사용을 들 수 있다.
도 35를 계속 참조하면, 적절한 수행을 하기 위해서 최소 깊이의 물이 사이펀 펌프용 하부 저장조 내에 유지되는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서 액체 링 펌프 레벨 센서(L3)를 수용하는 액체 링 펌프 제어 챔버(3546)가 액체 링 펌프 레벨을 제어하고 하부 저장조(3540) 내의 수위를 제어하도록 사용될 수도 있다. 액체 링 펌프 제어 챔버(3546)는 액체 링 펌프(3538) 및 하부 저장조(3540)에 유동적으로 연결된다. 액체 링 펌프(3538)는 액체 링 펌프(3538)가 더 많은 물을 요구할 경우 열리도록 설정되는 3 방향 소스 필 밸브(3510)에 연결되고, 또한 액체 링 펌프(3538)로부터의 물을 배출 흐름(3508)으로 배출하는 것이 요구될 경우 열리는 액체 링 펌프 드레인 밸브(V3)에 연결된다.
도 35를 계속 참조하면, 전방 하부 저장조(3540)의 재순환된 물이 액체 링 펌프(3538) 내의 유체 레벨을 유지시키는데 일차적으로 사용되지 않을 경우, 차가운 원수 또는 생성수가 사용될 수 있다. 원수가 사용되는 경우, 액체 링 펌프(3538)로의 (시스템 온도보다 대략 85℃ 정도 낮을 수 있는) 냉수의 유입은 시스템 효율성을 낮추고, 또한 다르게는 이러한 차가운 원수를 위한 예열기의 사용은 시스템의 에너지 비용을 증가시킬 수 있다. 다르게는 생성수의 사용은, 시스템 온도에 악영향을 미치지 않는 반면, 생성 레벨을 낮출 수 있고, 이에 의해 시스템 비효율성이 또한 야기된다. 기동 시, 액체 링 펌프에 대한 초기 유체 레벨은 원수로부터 공급되는 것이 바람직하다.
이제 도 35a를 참조하면, 일 실시예에 있어서 기동 시간은 소스(3548)와 배출(3508) 유체 라인 사이의 외부 연결 밸브(3550)를 저온 측 상에서, 열교환기(3518)에 인접하게 위치시켜 사용함으로써 줄어들 수도 있다. 초기 충전 동안 증발기 헤드(3504) 내의 유체의 레벨을 판단하기 위해서, 연결 밸브(3550)는 개방되고, 배출 밸브(BV)는 폐쇄될 수 있으며, 유체는 소스 라인(3548)을 통해 시스템으로 펌핑될 수 있다. 배출(3508)과 소스(3548) 라인을 연결시키는 것은 배출 레벨 센서 하우징(3516) 및 증발기 헤드(3504)의 유체 높이를 동일하게 만드는 것에 의해, 증발기 헤드(3504) 내의 유체 레벨의 측정을 허용하고 증발기가 개시시 필요한 최소한의 레벨로 채워질 수 있도록 한다. 도 35에 도시한 액체 링 펌프(3538)의 기동시, 필요한 최소한의 레벨을 사용하는 것에 의해 초기 예열 시간이 줄어들고, 증발기 헤드(3504)로부터 액체 링 펌프(3538)를 통해 응축기(3552)로 누설(spill-over)되는 것이 방지한다.
도 35a를 계속 참조하면, 배출 흐름(3508) 내의 고형물의 농도를 관찰 및 제어하여 용액으로부터 재료의 응결을 방지하고 이에 따라 시스템의 막힘을 방지할 수 있다. 또한 기동 시, 순환 펌프(3554)는 열교환기(3518)를 통해 물을 순환시켜 정상 작동을 위한 적당한 온도까지 열교환기를 예열시킨다. 전도도 센서(도시 생략)가 유체의 전기 전도도를 측정하는 것에 의해 총 용존 고형물(total dissolved solid: TDS) 함량을 판단하도록 사용될 수도 있다. 특정 실시예에 있어서, 센서는 유도형 센서이며, 이에 의해 전기 전도성 재료가 유체 흐름에 접촉되지 않는다. 예를 들어, 해수의 증류 중에, 배출 흐름(3508) 내의 TDS 함량이 규정된 레벨을 초과하여 올라가는 경우, 유체 소스 공급률이 증가하게 된다. 유체 소스 공급률을 높이는 경우, 증류된 물 생성이 유체 공급률의 함수로서 약간만 변하기 때문에, 유속은 배출 흐름(3508)의 비율을 증가시키고, 증가된 배출 흐름 비율은 TDS의 농도를 줄이고, 이에 의해 전반적인 효율성 및 시스템의 생산성을 유지한다.
또한 대체 실시예는 피드백 구성에 가변 유동 밸브 및 레벨 센서를 사용하는 유체 제어 시스템을 포함할 수도 있다. 증류기의 최적의 동작은 총 유체 유입이 총 유체 유출과 거의 정합하는 것을 요구한다. 거의 일정한 레벨로 증류기 내의 유체 레벨을 유지시키는 것에 의해 이러한 요건을 달성한다. 특정 실시예에 있어서, 센서는 용량성 레벨 센서로서, 특히 유체 레벨을 측정하기 위한 강건한 센서(robust sensor)이다. 용량성 레벨 센서는 가동부가 없으며, 부착물에 대해 민감하지 않고, 제조가 단순하고 저렴하다. 가변 유동 밸브의 개구가 용량성 레벨 센서에 의해 측정된 유체의 레벨에 의해 제어됨으로써, 유체 레벨이 레벨 센서 위치로 조절된다. 유체 레벨의 상승은 밸브를 보다 더 개방시켜, 센서 체적으로부터의 유출을 증가시킨다. 반대로, 유체 레벨의 하강은 밸브를 보다 더 폐쇄시켜, 센서 체적으로부터의 유출을 감소시킨다.
가변 유동 제어 밸브를 통한 유속 및 입력 펌프로부터의 유속은 인-시투(in-situ) 교정 기술을 이용하여 판단될 수도 있다. 레벨 센서 및 관련 레벨 센서 체적이 센서 체적의 채움 속도 또는 비움 속도를 판단하도록 사용될 수도 있다. 제어 밸브를 적당하게 구성함으로써, 각각의 밸브 또는 소스 펌프의 유속 교정을 판단할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 밸브 블록(도시 생략)이 시스템을 위한 모든 제어 밸브를 단일부로 통합하도록 이용될 수도 있는데, 이는 유체 유동 매니폴더로 통합될 수도 있다. 또한, 총 용존 고형물 및 배출 흐름을 위한 센서를 포함하는 제어 시스템이 헤드 내의 유체의 높이/레벨을 제어하는 다른 장치 또는 플로트 밸브와 통합될 수도 있다.
도 35를 다시 참조하면, 헤드(3504)로부터 압축기(3538)로의 증기 유동 라인(3554), 증기를 증발기/응축기로 우회시키는 증기 출구(3542), 증발기/응축기로부터 열교환기(3518)에 이르게 하고, 또한 고온의 정화된 응축 생성수(3528)의 수집을 가능하게 하는 고온 생성수 라인(3534) 및 수위를 일정하게 조절하기 위해서 고온 생성수를 압축기(3538)로 우회시키는 라인(도시 생략)이 추가적으로 존재한다. 또한, 시스템이 차단(shut down)되었을 경우를 위한 드레인 라인(도시 생략)이 존재할 수도 있다.
이제 도 36 내지 도 36c를 참조하면, 대체 실시예는 또한 유체 분배 매니폴드(3600)를 포함할 수도 있다. 도 36은 유체 분배 매니폴드(3600)의 일 특정 실시예의 펌프측의 일면을 도시한다. 원수 공급의 형태로서 입력은 포트(3602)를 통해 흐르고, 배출 흐름(출력)은 포트(3604)를 통해 흐른다. 생성수 형태로 추가의 출력이 포트(3606)를 통해 흐르고, 포트/챔버(3608)는 휘발물(출력)을 위한 통기구를 제공하고 포트(3610)는 액체 링 펌프를 위한 드레인(출력)을 제공한다. 도 36a는 유체 분배 매니폴드(3600)의 동일 특정 실시예의 펌프측 타면을 도시한다. 액체 링 펌프용 드레인(3610)과 마찬가지로, 휘발물의 출력을 위한 포트/챔버(3608)가 존재한다. 분무 수집기 및 드레인 영역(3614)과 마찬가지로, 본 특정 실시예의 도면에서는, 응축기 증기 분무 제거기 챔버(3612)를 볼 수 있다.
특히 도 36b를 참조하면, 본 도면은 유체 분배 매니폴더(3600)의 동일 특정 실시예의 증발기/응축기의 측 일면을 도시한다. 배출 통로 포트(3604)와 생성수 통로 포트(3606)뿐만 아니라 원수 공급 포트(3602)를 본 도면에서 쉽게 볼 수 있다. 또한, 증발기 증기 통로 포트(3616) 및 응축기 증기 통로 포트(3618)를 볼 수도 있다.
특히 도 36b를 참조하면, 본 도면은 유체 분배 매니폴드(3600)의 동일 특정 실시예의 증발기/응축기의 타면을 도시한다. 액체 링 펌프 드레인 포트(3606), 제2 응축기 증기 분무 제거기(3612), 증발기 증기 분무 제거기(3620), 및 분무 수집기 및 드레인 영역(3614)과 마찬가지로, 배출 통로 포트(3604)를 다시 볼 수 있다. 또한, 본 도면에서는 섬프 레벨 제어 챔버를 생성 레벨 제어 챔버(3622) 및 액체 링 펌프 공급부(3624)와 함께 볼 수 있다.
도 36 내지 도 36c를 계속 참조하면, 유체 분배 매니폴드(3600)는 유동 조절, 분무 제거 및 압력 조절을 포함하는 다양한 기능들을 단일의 유닛으로 유리하게 통합하여, 유체 정화 시스템의 대부분의 배관을 제거함으로써, 제조를 간소화하게 하고 전체 부품수를 감소시킬 수 있다. 코어판 및 매니폴드는, 예를 들어 플라스틱, 금속, 또는 세라믹 판, 또는 고온 및 고압에 견딜 수 있는 임의의 다른 비부식성 재료로 이루어질 수도 있다. 코어판 및 매니폴더 제조 방법으로서는 브레이징 및 오버 몰딩을 포함한다.
이제 도 37 및 도 37a를 참조하면, 본 도면은 특정 실시예에 있어서 유체를 시스템 전체에 걸쳐서 연결시키는 끼워 맞춤 조립체에 대해 도시한다. 예를 들어, (도 35에 도시한) 교환기(3518)와 (도 32에 도시한) 흡입구/배기 포트(3220/3208) 사이에 부유식 유체 경계부가 있을 수도 있다. 도 37a는 열교환기 포트(도시 생략)에 용접될 수도 있는 커넥터(3702)를 도시하고 있는데, 여기서 커넥터(3702)는 유체 분배 매니폴더와 차례로 통신하는 유체 경계부(3704)를 연결한다. 도 37a는 A-A 선(도 37 참조)을 가로지르는 단면도를 도시한다. 커넥터(3702)는 온도 또는 제조 변수에 의해 발생 가능한, 표시(registration) 변동을 보상하도록 부유하는 능력을 갖는다. 밀봉은 O-링(3706)에 의해 이루어진다. 도 37에 도시된 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 중심축에 대한 A-A선 90도 회전 시에, O-링(3706), 커넥터(3702) 및 유체 경계부(3704)는 함께 로크되어 유동성 경계부 연결을 이룬다.
이제 도38 및 도38a를 참조하면, 본 도면은 증발기/응축기(3800)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 38에 도시한 바와 같이, 증발기/응축기(3800)는 평탄형 증발기/응축기이며, 일반적으로 구리 니켈 합금 또는 다른 열 전달성 재료로 이루어지는 다중의 평행 코어층(3802, 3804)과, 증기 및 응축된 유체 유동을 인도하기 위한 채널(3810, 3810)을 생성하는 리브 섹션(3806)을 포함한다. (도시 생략된 먼지 흡입구 및 휘발물 출구 매니폴더 뿐만 아니라) 증기 흡입구(3814) 및 생성수 출구(3816) 매니폴드는 유체 경계부를 통해서 액체 링 펌프/압축기로 연결될 수도 있다. 볼트(3818)는 코어 증발기/응축기(3800)를 액체 링 펌프/압축기의 외부 하우징의 브래킷에 고정한다. 동작 시, 2개의 기능이 임의의 소정의 층 상에서 절대 중복되지 않도록, (도 38 및 도 38a에 도시한) 교번식 수평 열(3802, 3804)마다 증발기 채널(3810) 및 응축기 채널(3812)을 포함한다. 도 38의 상세인, 도38a는 결합된 증발기/응축기 매니폴더가 작용하는 방법에 대해 더 명확하게 도시한다. 나타낸 바와 같이, 열(3802)은 열(3804)과 서로 영향을 끼치지 않고, 서로 고립됨으로써, 수평 코어층에 있어서 증발기 및 응축기의 기능을 분리한다.
이제 도 39를 참조하면, 본 도면은 수증기 증류 장치에 사용되는 열교환기의 대체 실시예를 도시하는데, 여기서 열교환기는 입수 가능한 체계 및 열원을 이용한다. 일 특정 실시예에 있어서, 복수의 열원 중 적어도 하나에서부터의 열이 도 39에 도시한 바와 같은 다중 라인의 열교환기(3902)를 통과하는데, 여기서 3904, 3906, 3908, 및 3910과 같은 일련의 2채널 열교환기가 다중 라인 효과를 생성하도록 배관된다. 도 39에 도시한 특정 다중 라인 열교환기에 있어서, 냉흡입구(3912)로의 흐름은 모든 열교환기 유닛(3904, 3906, 3908 및 3910)을 통과하고; 하나의 열원, 예를 들어 고온 생성수(3914)는 열교환기 유닛(3904 및 3908)을 통해 흐르고, 또 하나의 열원, 예를 들어 고온 배출 흐름(3916)은 열교환기 유닛(3906 및 3910)을 통해 흐른다는 점을 유의해야 한다. 이런 방식으로, 다중 열원이 냉흡입구 유동(3912)과의 교환을 위해 사용될 수도 있다.
이제 도 39a를 참조하여, 열교환기의 대체 실시예에 대해 도시한다. 본 실시예에 있어서, 열교환기는 단일의 다중 채널 열교환기(3918)일 수도 있다. 본 특정 실시예에 있어서, 냉흡입(3912) 및 고온 생성수(3914)와 고온 배출 흐름(3916)과 같은 열원이, 예를 들어 교환기(3918) 사이를 동시에 흐르지만, 반대 방향으로 흐르고, 이에 의해 단일의 열교환기(3912) 내에서 양 열원(3914 및 3916)으로부터 냉흡입(3912)으로의 열교환이 가능하다.
이제 도 40을 참조하면, 일 대체 실시예는 전체 시스템 성능을 평가하고 그리고/또는 제어 시스템에 데이터를 제공하도록 증발기 및 응축기 압력을 측정하는 단계를 포함할 수도 있다. 증발기/응축기(4002)의 온도 상승에 저항하기 위해서 필요한 고가의 센서의 사용을 피하기 위해서, 압력 센서(PE 및 PC)가 열교환기(4004)의 저온측과 대응하는 제어 밸브(VE 및 VC) 사이의 유체 라인에 장착될 수 있다. 이러한 위치에 위치된 압력 센서에 대해 유체가 흐를 경우 발생할 수도 있는, 시스템의 실제 압력보다 낮게 압력을 측정하는 것을 방지하기 위해서, 제어 밸브는 순간적으로 폐쇄되어 유동을 멈추게 할 수 있다. "비 유동" 기간 동안, 압력은 제어 밸브부터 증발기 또는 응축기까지 일정하므로, 시스템 압력의 정확한 측정이 가능하다. 증류기 성능에 대한 어떠한 악영향도 이 짧은 "비 유동"기간으로부터는 발생하지 않는다.
이제 도 41 내지 도 41b를 참조하면, 최종 생성 유체의 정화를 증대시키기 위해서 흡입구 내에 여과 기구를 포함하는 본 개시의 또 다른 실시예에 대해 도시한다. 적어도 2개의 필터 유닛(4104 및 4106)에 접합하는 피봇 조인트(4102)를 갖는 다중 유닛 플립 필터(4100)가, 필터 유닛(4104 및 4106)을 통해 유체를 안내하고 중심 피봇 조인트(4102)를 중심으로 필터 유닛(4104 및 4106)의 회전을 용이하게 하는 필터 하우징(4108) 내에 위치된다. 도시한 바와 같이, 정화를 위한 루트로서 배출 흐름(4109)은 플립 필터 유닛(4104)을 통과하는 동시에 흡입 유체 흐름(4110)은 흡입구로부터 플립 필터 유닛(4106)을 통해 흐른다. 일정 간격 이후에 플립 필터 스위치(도시 생략)는 플립 필터 피봇 조인트(4102)에서 점선으로 도시한 그 중심축을 중심으로 플립 필터(4100)를 회전시켜, 흡입 유체로부터 여과된 오염 물질로 인해 오염된 필터 유닛(4106)은 배출 흐름(4109)에 의해 역류로 씻겨지며, 필터 유닛(4104)은 흡입 유체 흐름(4110)을 여과하는 필터 유닛이 된다. 이러한 실시예에 있어서, o-링 가스켓(4112 및 4114)은 필터 유닛(4104, 4106)과 배출 흐름(4109) 및 흡입 유체 흐름(4110)의 유체 흐름 루트 사이에서 밀봉부로서 개별적으로 이용될 수도 있다.
이제 도 41c 및 도 41d를 참조하면, 다중 유닛 플립 필터는 다중 구획된 원형 필터(4112)일 수도 있다. 또한, 도면 부호, 4116 및 4118 과 같은 다중 플립 필터 유닛이 피봇되는 피봇점(4114)을 갖는 다중 유닛 플립 필터(4112)가 개별의 필터 유닛(4116 및 4118)을 통한 유체 유동을 안내하고 피봇점(4114)을 중심으로 한 필터(4112)의 회전을 용이하게 하는 필터 하우징(4120) 내에 위치될 수도 있다. 도시한 바와 같이, 정화를 위한 루트로서 배출 흐름(4109)은 1개의 플립 필터 유닛(4116)을 통과하고, 동시에 흡입 유체 흐름(4110)은 흡입구로부터 플립 필터 유닛(4118)을 통해 흐른다. 도 41에서와 같이, 플립 필터 스위치(도시 생략)는 플립 필터 피봇점(4114)에서 점선으로 도시한 그 중심축을 중심으로 플립 필터(4112)를 회전시켜서, 더러운 흡입 유체로부터 여과된 오염물로 인해 오염된 필터 유닛(4118)은 배출 흐름(4109)에 의해 역류로 씻겨지고, 필터 유닛(4116)은 흡입 유체 흐름(4110)을 여과하는 필터 유닛이 된다. 도면 부호 4122 및 4124로 나타낸 바와 같이, 개별의 필터 유닛(4116, 4118) 사이에 일련의 밀봉부를 이용하여, 일 필터부를 통해 흐르는 배출 흐름(4109)을 다른 필터부를 통해 흐르는 흡입 유체 흐름(4110)으로부터 분할시킨다.
이제 도 41e 및 도 41f를 참조하면, 다른 실시예는 수류의 방향을 변경하는 수동 밸브(4122)를 포함할 수도 있다. 그런한 밸브는, 예를 들어 배출 흐름(4109)의 사용을 허용하여 각각의 플립 필터의 일 유닛을 연속해서 세척하고, 어느 유닛을 여과시킬 지, 그리고 어느 유닛을 역류로 씻어낼 지를 단일 조작으로 효율적으로 절환함으로써, 실제로 플립 필터(4100) 없이도 필터 유닛(4104 또는 4106)을 역류로 씻어낼 수 있다. 일 특정 실시예에 있어서, 밸브(4122)가 위치(A)에 있는 경우, 필터 유닛(4104)은 흡입 유체(4110)를 여과하고, 필터 유닛(4106)은 배출 흐름(4109)으로 역류 세척된다. 밸브(4100)를 위치(B)로 절환했을 때, 필터 유닛(4104)은 이제 배출 흐름(4108)에 의해 역류로 씻겨지고, 필터 유닛(4106)은 이제 입력 유체(4110)를 여과한다.
스털링 사이클 엔진
상술한 수증기 증류 장치의 다양한 실시예는, 일부 실시예에 있어서 스털링 사이클 기기(또한 스털링 엔진으로 언급될 수도 있음)에 의해 동력이 공급될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 스털링 사이클 기기는 본원에서 그 전체가 참고 문헌으로 인용된 것으로, 2008년 4월 18일자로 출원되어 대리인 문서 제170호를 가지는 계류 중인 미국 특허출원 제12/105,854호에 기술된 스털링 엔진이다. 그러나, 다른 실시예에 있어서 스털링 사이클 기기는 본원에서 그 전체가 참고 문헌으로 인용된 미국 특허 제6,381,958호, 제6,247,310호, 제6,536,207호, 제6,705,081호, 제7,111,460호 및 제6,694,731호에 기재된 임의의 스털링 사이클 기기이면 된다.
엔진 및 냉각 장치를 포함하는 스털링 사이클 기기는 본원에서 참고 문헌으로서 인용된 문헌[워커, 스털링 엔진, 옥스포드대 출판부(1980)]에 상세하게 기술된 바와 같이 오래된 기술적 유산을 갖는다. 스털링 사이클 엔진에 대한 기본 원칙은 스털링 열역학 사이클[실린더 내의 가스의 등용적 가열, (피스톤을 구동함으로써 일이 행해지는 동안의) 가스의 등온 팽창, 등용적 냉각 및 등온 압축]의 기계적 실현이다. 스털링 사이클 기기의 태양 및 그에 대한 개선점에 관한 추가의 배경 기술은 하그리브즈에서 기술된다. 필립스 스털링 엔진(엘세이버, 암스테르담, 1991)도 본 명세서에서 참조된다.
도 51a 내지 도 51e를 참조하여 스털링 사이클 기기의 동작 원리에 대해 쉽게 기술되는데, 여기서 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사 부분을 식별하도록 사용된다. 스털링 사이클 기기의 많은 기계적 레이아웃이 본 기술 분야에서 알려졌으며, 일반적으로 도면 부호 5110으로 부기된 특정 스털링 사이클 기기는 단지 설명을 목적으로 도시된 것이다. 도 51a 내지 도 51d에 있어서, 피스톤(5112) 및 디스플레이서(5114)는, 스털링 사이클 기기의 일부 실시예에 있어서는 단일의 실린더일 수도 있지만 다른 실시예에 있어서는 단일의 실린더 이상을 포함할 수도 있는 실린더(5116) 내에서 동위상으로 왕복 운동으로 움직인다. 실린더(5116) 내에 포함되는 작동 유체는 밀봉부에 의해 피스톤(5112) 및 디스플레이서(5114) 주위로 배출되는 것이 억제된다. 작동 유체는 이하의 설명에 기술된 바와 같이 그 열역학 특성에 맞게 선택되고, 대개 수 기압의 헬륨이지만, 수소, 아르곤, 네온, 질소, 공기 및 그 혼합물을 포함하는 임의의 불활성 가스를 포함하는 임의의 가스가 사용될 수도 있지만, 이에 한정되지 않는다. 디스플레이서(5114)의 위치는 열이 작동 유체로 공급되고 작동 유체로부터 추출되는 경계부에 각각 대응하는 고온 경계부(5118) 또는 저온 경계부(5120)와 작동 유체의 접촉 여부에 의해 좌우된다. 열의 공급 및 추출에 대해 이하에서 더욱 상세하게 기술한다. 피스톤(5112)의 위치에 의해 좌우되는 작동 유체의 체적은 압축 공간(5122)으로 언급된다.
그 개시 조건이 도 51a에 도시된 스털링 사이클의 제1 위상 동안, 피스톤(5112)은 압축 공간(5122) 내의 유체를 압축한다. 열이 유체로부터 주위 환경으로 추출되기 때문에 실질적으로 일정한 온도에서 압축이 일어난다. 압축 후의 스털링 사이클 기기(5110)의 상태가 도 51b에 도시된다. 디스플레이서(5114)가 저온 경계부(5120) 방향으로 이동하는 사이클의 제2 위상 동안, 작동 유체는 저온 경계부(5120)의 영역으로부터 고온 경계부(5118)의 영역으로 변위된다. 이러한 위상은 전이 위상으로서 언급될 수도 있다. 작동 유체는 일정한 체적으로 가열되기 때문에 전이 위상의 종결 시, 유체의 압력은 더 높은 압력이다. 압력의 상승이 압력 게이지(5124)의 판독에 의해 도 51c에 기호로 도시된다.
스털링 사이클 기기의 제3 위상(팽창 행정) 동안, 압축 공간(5122)의 체적은 스털링 사이클 기기(5110) 외측으로부터 열이 흡입된 만큼 증가하게 되어, 열을 일로 변환시킨다. 실제로, 열은 이하의 설명에서 더욱 상세하게 기술한 히터 헤드(도시 생략)에 의해 유체에 공급된다. 팽창 위상의 완료시, 압축 공간(5122)은 도 51d에 도시한 바와 같이 저온 유체로 가득찬다. 스털링 사이클 기기(5110)의 제4 위상 동안, 디스플레이서(5114)의 이동에 의해 유체는 대향 방향으로 고온 경계부(5118)의 영역으로부터 저온 경계부(5120)의 영역으로 이동된다. 도 51a에 도시한 바와 같이, 제2 전이 위상의 완료시, 유체는 압축 공간(5122) 및 저온 경계부(5120)를 채우고, 압축 위상의 반복을 위한 준비가 이루어진다. 스털링 사이클은 도 51e에 도시한 바와 같이 P-V(압력-체적) 선도로 도시된다.
또한, 고온 경계부(5118)의 영역으로부터 저온 경계부(5120)의 영역으로 이동하는 것에 대해서 나타낸다. 일부 실시예에 있어서, 유체는 (도 54에서 5408로 도시한) 재생기를 통과할 수도 있다. 재생기는 유체가 고온 경계부(5118)의 영역으로부터 유입하는 경우 유체로부터 열을 흡수하고 유체가 저온 경계부(5120)의 영역으로부터 통과할 경우 유체를 가열하는 역할을 하는, 체적에 대한 면적의 비율이 높은 복합 재료이다.
일반적으로 스털링 사이클 기기는 그 개발과 관련한 여러 위험스러운 도전으로 인해 실용적인 용도로 사용되지 않았다. 이것은 효율성 및 수명과 같은 실용적인 고려를 포함한다. 따라서, 피스톤에 대한 측방향 하중의 최소화, 효율성 및 수명의 향상과 관련하여, 스털링 사이클 기기에 대한 더 많은 요구가 있다.
스털링 사이클 기기 또는 스털링 엔진의 동작 원리에 대해서는, 본원에서 참고 문헌으로 인용되었으며, 케이먼(Kamen) 등에게 2002년 5월 7일자로 허여된 미국 특허 제6,381,958호에서 더욱 상세하게 기술한다.
로킹 비임 드라이브
이제 도 52 내지 도 54를 참조하면, 일 실시예에 따른 스털링 사이클 기기의 실시예의 단면도에 대해 도시한다. 실시예에서 엔진은 일반적으로 도면 부호 5300으로 부기된다. 스털링 사이클 기기에 대하여 도 52 내지 도 54에 도시한 스털링 엔진(5300)의 실시예를 참조하여 일반적으로 기술하였지만, 냉각 장치 및 압축기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 형태의 기기 및 엔진이, 외연 기관 및 내연 기관을 포함하지만 이에 한정되지 않는 본원에서 기술된 다양한 실시예 및 개선점으로부터 유사하게 이익을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 52는 실린더(5206, 5208) 내에 각각 수납된 선형 왕복 피스톤(5202, 5204)을 갖는 스털링 엔진과 같은, 엔진용 로킹 비임 드라이브 기구(5200)("로킹 비임 드라이브"라는 용어는 "로킹 비임 드라이브 기구"라는 용어와 동일하게 사용됨)의 일 실시예의 단면도를 도시한다. 실린더는 리니어 베어링(5220)을 포함한다. 로킹 비임 드라이브(5200)는 피스톤(5202, 5204)의 선형 운동을 크랭크 축(5214)의 회전 운동으로 변환시킨다. 로킹 비임 드라이브(5200)는 로킹 비임(5216), 로커 피봇(5218), 제1 커플링 조립체(5210) 및 제2 커플링 조립체(5212)를 갖는다. 피스톤(5202, 5204)은 제1 커플링 조립체(5210) 및 제2 커플링 조립체(5212)를 통해 로킹 비임 드라이브(5200)에 각각 결합된다. 로킹 비임 드라이브는 커넥팅 로드(5222)를 통해 크랭크 축(5214)에 결합된다.
일부 실시예에 있어서, 로킹 비임 및 커플링 조립체의 제1부분은 크랭크 케이스 내에 위치될 수도 있고, 실린더, 피스톤 및 커플링 조립체의 제2 부분은 작업 공간 내에 위치된다.
도 54에 있어서, 로킹 비임 드라이브(5200)의 크랭크 케이스(5400)는 실린더 하우징(5402) 아래에 위치 설정된다. 크랭크 케이스(5400)는 크랭크 축(5214), 로킹 비임(5216), 리니어 베어링(5220), 커넥팅 로드(5222) 및 커플링 조립체(5210, 5212)를 갖는 로킹 비임 드라이브(5200)의 동작을 허용하기 위한 공간이다. 크랭크 케이스(5400)는 피스톤(5202, 5204)의 축 평면을 가로지르는 실린더(5206, 5208)와 교차한다. 또한, 도 52에 도시한 바와 같이, 피스톤(5202, 5204)은 각각의 실린더(5206, 5208) 내에서 왕복 운동한다. 실린더(5206, 5208)는 크랭크 축 하우징(5400) 위로 연장된다. 크랭크 축(5214)은 실린더(5206, 5208) 아래의 크랭크 케이스(5400) 내에 장착된다.
도 52는 로킹 비임 드라이브(5200)의 일 실시예를 도시한다. 커플링 조립체(5210, 5212)는 피스톤(5202, 5204)으로부터 각각 연장되어, 피스톤(5202, 5204)을 로킹 비임(5216)에 연결시킨다. 일부 실시예에 있어서, 피스톤(5204)용 커플링 조립체(5212)는 피스톤 로드(5224) 및 링크 로드(5226)를 포함할 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 피스톤(5202)용 커플링 조립체(5210)는 피스톤 로드(5228) 및 링크 로드(5230)를 포함할 수도 있다. 피스톤(5204)은 실린더(5208) 내에서 수직으로 동작하고, 커플링 조립체(5212)에 의해 로킹 비임(5216)의 단부 피봇(5232)에 연결된다. 실린더(5208)는 피스톤(5204)의 종방향 운동에 대한 안내를 제공한다. 피스톤(5204)의 하부에 부착된 커플링 조립체(5212)의 피스톤 로드(5224)는 실린더(5208)의 축을 따르는 실질적으로 선형인 왕복 운동 경로에 있어서 그 링크 로드(5226)에 의해 축방향으로 구동된다. 일부 실시예에 있어서 피스톤 로드(5224)의 말단부 및 링크 로드(5226)의 기단부는 결합 수단(5234)을 통해 접합식으로 힌지된다. 결합 수단(5234)은 가요성 이음, 롤러 베어링 부재, 힌지, (도 56에서 5600으로 도시한) 저널 베어링 조인트 및 (도 57a 및 도 57b에서 5700으로 도시한) 플렉서를 포함하는 본 기술 분야에서 공지된 임의의 결합 수단일 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 링크 로드(5226)의 말단부는 링크 로드(5226)의 기단부 아래에서 수직 및 직각으로 위치 설정된 로킹 비임(5216)의 일 단부 피봇(5232)에 결합될 수도 있다. 고정식 리니어 베어링(5220)은 커플링 조립체(5212)를 따라 위치 설정되어 피스톤 로드(5224)의 실질적으로 선형인 종방향 운동을 가능하게 하고, 이에 따라 피스톤(5204)의 실질적으로 선형인 종방향 운동을 가능하게 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 링크 로드(5226)는 리니어 베어링(5220)을 통과하지 않는다. 이것은 무엇보다 피스톤 로드(5224)가 실질적으로 선형인 종방향 운동을 유지 가능하게 한다.
예시적인 실시예에 있어서, 링크 로드는 알루미늄으로 이루어질 수도 있고, 피스톤 로드 및 커넥팅 로드는 D2 공구강으로 이루어질 수 있다. 다르게는, 링크 로드, 피스톤 로드, 커넥팅 로드 및 로킹 비임은 4340 강으로 이루어질 수도 있다. 티타늄, 알루미늄, 강철 또는 주철을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 다른 재료들이 로킹 비임 드라이브의 부품용으로 사용될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 사용될 재료의 피로 강도는 동작 중 부품에 가해지는 실제 하중보다 높다.
도 52 내지 도 54를 계속 참조하면, 피스톤(5202)은 실린더(5206) 내에서 수직으로 동작하고, 커플링 조립체(5210)에 의해 로킹 비임(5216)의 단부 피봇(5236)에 연결된다. 다른 기능보다도, 실린더(5206)는 피스톤(5202)의 종방향 운동에 대한 안내를 제공한다. 커플링 조립체(5210)의 피스톤 로드(5228)는 피스톤(5202)의 하부에 부착되고, 실린더(5206)의 축을 따라 실질적으로 선형인 왕복 이동 경로에 있어서 그 링크 로드(5230)에 의해 축방향으로 구동된다. 일부 실시예에 있어서 피스톤 로드(5228)의 말단부 및 링크 로드(5230)의 기단부는 결합 수단(5238)을 통해 접합식으로 힌지된다. 다양한 실시예에 있어서 결합 수단(5238)은 (도57a 및 도 57b에서 5700으로 도시한) 플렉서, 롤러 베어링 부재, 힌지, (도 56에서 5600으로 도시한) 저널 베어링, 또는 본 기술 분야에서 공지된 결합 수단을 포함할 수도 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에 있어서 링크 로드(5230)의 말단부는 링크 로드(5230)의 기단부 아래에서 수직 및 직각으로 위치 설정된 로킹 비임(5216)의 일 단부 피봇(5236)에 결합될 수도 있다. 고정식 리니어 베어링(5220)은 커플링 조립체(5210)를 따라 위치 설정되어, 피스톤 로드(5228)의 선형 종방향 운동을 가능하게 하고, 이에 따라 피스톤(5202)의 선형 종방향 운동을 가능하게 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 링크 로드(5230)가 리니어 베어링(5220)을 통과하지 않아서, 피스톤 로드(5228)가 실질적으로 선형의 종방향 운동을 유지하는 것이 가능하다.
커플링 조립체(5210, 5212)는 로킹 비임(5216)의 진동 운동을 위해 각각의 피스톤(5202, 5204)의 교번식 종방향 운동을 변경시킨다. 전달된 진동 운동은 커넥팅 로드(5222)에 의해 크랭크 축(5214)의 회전 운동으로 변경되는데, 여기서 커넥팅 로드(5222)의 일단부는 로킹 비임(5216)에서 로커 피봇(5218)과 단부 피봇(5232) 사이에 위치 설정되는 커넥팅 피봇(5240)에 회전 가능하게 결합되고, 커넥팅 로드(5222)의 타단부는 크랭크 핀(5246)에 회전 가능하게 결합된다. 로커 피봇(5218)은 단부 피봇(5232, 5236) 사이의 실질적으로 중간 지점에 위치 설정되고, 지지점으로서 로킹 비임(5216)을 진동식으로 지지하는 것에 의해, 충분한 선형 운동이 가능하도록 각각의 피스톤 로드(5224, 5228)를 안내한다. 예시적인 실시예에 있어서, 크랭크 축(5214)은 로킹 비임(5216) 위에 위치되지만, 다른 실시예에 있어서 크랭크 축(5214)은 (도 55b 및 도 55d에 도시한 바와 같이) 로킹 비임(5216) 아래에 위치 설정될 수도 있고, 또한 일부 실시예에 있어서는, 크랭크 축(5214)은 로킹 비임(5216)에 대해 평행한 축을 갖도록 로킹 비임(5216)의 측면에 위치 설정될 수도 있다.
도 52 내지 도 54를 계속 참조하면, 로킹 비임은 로커 피봇(5218)을 중심으로 진동하고, 단부 피봇(5232, 5236)은 원호 경로를 따른다. 링크 로드(5226, 5230)의 말단부가 피봇(5232, 5236)에서 로킹 비임(5216)에 연결되기 때문에, 링크 로드(5226, 5230)의 말단부도 이 원호 경로를 따르고, 그 결과 이들 개별 피스톤(5202, 5204) 운동의 종축으로부터 각도 편차(5242, 5244)가 생긴다. 결합 수단(5234, 5238)은 피스톤 로드(5224, 5228)에 의해 적용되는 링크 로드(5226, 5230)로부터의 임의의 각도 편차(5244, 5242)가 최소화되도록 구성된다. 본래, 각도 편차(5244, 5242)는 결합 수단(5234, 5238)에 의해 흡수되므로, 피스톤 로드(5224, 5228)는 실질적으로 선형인 종방향 운동을 유지하여 피스톤(5204, 5202)에 대한 측방향 하중을 감소시킨다. 또한, 고정식 리니어 베어링(5220)은 실린더(5208 또는 5206) 내측 또는 커플링 조립체(5212 또는 5210)를 따라서 위치될 수도 있어, 임의의 각도 편차(5244 또한 5242)를 추가로 흡수하고, 이에 의해 피스톤 푸시 로드(5224 또는 5228) 및 피스톤(5204 또는 5202)이 피스톤(5204 또는 5202)의 종축을 따라 선형 운동을 유지한다.
따라서, 피스톤(5202, 5204)의 왕복 운동의 관점에서, 피스톤(5202, 5204)의 왕복 운동의 종축으로부터의 편차(5242, 5244)가 소음, 효율성의 감소, 실린더 벽에 대한 마찰의 증가, 측방향 하중의 증가 및 부품의 낮은 내구성을 야기하기 때문에, 피스톤(5202, 5204)의 운동을 가능한 선형에 가깝게 유지하는 것이 필요하다. 실린더(5206, 5208)의 정렬과, 크랭크 축(5214), 피스톤 로드(5224, 5228), 링크 로드(5226, 5230) 및 커넥팅 로드(5222)의 배열이 결과적으로 특히 장치의 효율성 및/또는 체적에 대해 영향을 미칠 수도 있다. 언급한 바와 같이 피스톤 운동의 선형성 증가를 위해, (도 52 내지 도 54에서 5202 및 5204로 도시한) 피스톤은 가능한 각각의 실린더(5206, 5208)의 측면에 근접하는 것이 바람직하다.
링크 로드의 각도 편차를 줄이는 또 하나의 실시예에 있어서, 링크 로드(5226, 5230)는 각각의 피스톤(5204, 5202)의 운동 종축을 따라 실질적으로 선형 왕복 운동하여, 각도 편차를 감소시키고, 이에 따라 각각의 피스톤(5204, 5202)에 가해지는 측방향 하중을 감소시킨다. 각도 편차는 피스톤(5204 또는 5202)의 종축으로부터의 링크 로드(5226 또는 5230)의 편차를 의미한다. 도면 부호(5244, 5242)는 도 52에 도시한 바와 같이 링크 로드(5226, 5230)의 각도 편차를 나타낸다. 따라서, 커플링 조립체(5212)의 위치는 로킹 비임(5216)의 로커 피봇(5218)과 단부 피봇(5232) 사이의 거리의 길이에 기초하여, 링크 로드(5226)의 각 변위에 영향을 준다. 따라서, 커플링 조립체의 위치는 링크 로드(5226)의 각 변위가 감소되도록 위치될 수도 있다. 또한, 링크 로드(5230)에 대하여, 커플링 조립체(5210)의 길이는 로킹 비임(5216)의 로커 피봇(5218)과 단부 피봇(5236) 사이의 거리의 길이에 기초하여, 링크 로드(5230)의 각 변위를 감소시키도록 결정 및 위치될 수도 있다. 따라서, 링크 로드(5226, 5230)의 길이, 커플링 조립체(5212, 5210)의 길이 및 로킹 비임(5216)의 길이는 도 52에 도시한 바와 같이 링크 로드(5226, 5230)의 각도 편차를 결정하고 그리고/또는 각도 편차에 크게 영향을 주는 중요한 변수이다.
예시적인 실시예는 동축을 따라서 단부 지점(5232, 5236), 로커 피봇(5218) 및 커넥팅 피봇(5240)을 갖는 직선 로킹 비임(5216)을 갖는다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 로킹 비임(5216)은 도 55c 및 도 55d에 도시한 바와 같이 피스톤이 서로에 대해 각을 이루어 위치 설정되도록 굴곡될 수도 있다.
이제 도 52 내지 도 54 그리고 도 57a 및 도 57b를 참조하면, 커플링 조립체의 일부 실시예에 있어서, 커플링 조립체(5212, 5210)는 개별적으로 축방향으로 뻣뻣하지만 링크 로드(5226, 5230)와 피스톤(5204, 5202) 사이의 운동의 로킹 비임(5216) 평면에 있어서는 가요성을 갖는 가요성 링크 로드를 포함할 수도 있다. 본 실시예에 있어서, 적어도 일부분, 링크 로드(5226, 5230)의 (도 57a 및 도 57b에서 5700으로 도시한) 플렉서는 탄성이 있다. 플렉서(5700)는 피스톤 로드와 링크 로드 사이의 결합 수단으로서 역할을 한다. 플렉서(5700)는 피스톤의 크랭크 유도측 하중을 더 효과적으로 흡수할 수 있고, 이에 따라 그 각각의 피스톤이 피스톤 실린더 내측의 선형 종방향 이동을 유지하게 한다. 이러한 플렉서(5700)는 개별적으로 링크 로드(5226, 5230)와 피스톤(5204 또는 5202) 사이에서 로킹 비임(5216)의 평면에 있어서의 작은 회전을 허용한다. 링크 로드(5226, 5230)의 탄성을 증가시키도록 본 실시예에 있어서 플렉서(5700)를 편평하게 도시하였지만, 일부 실시예에 있어서 플렉서(5700)는 편평하지 않다. 또한, 플렉서(5700)는 링크 로드(5226, 5230)의 말단부 근방 또는 피스톤의 하부 근방에서 구성될 수도 있다. 일 실시예에 있어서 플렉서(5700)는 58-62 RC로 강화된 #D2 공구강으로 제조될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 링크 로드의 탄성을 증가시키도록 링크 로드(5226 또는 5230) 상에 하나 이상의 플렉서(도시 생략)가 있을 수도 있다.
대체 실시예에 있어서, 각각의 실린더 하우징에 있어서의 피스톤의 축은 도 55c 및 도 55d에 도시한 바와 같이 다양한 방향으로 연장될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 각각의 실린더 하우징에 있어서의 피스톤의 축은 도 52 내지 도 54 그리고 도 55a 및 도 55b에 도시한 바와 같이 실질적으로 평행하고 실질적으로 수직인 것이 바람직하다. 도 55a 내지 도 55d는 도 2 내지 도 4와 관련하여 기술 및 도시한 바와 유사한 도면 부호를 포함하는 로킹 비임 드라이브 기구의 다양한 실시예를 포함한다. 로킹 비임(5216)을 따라 커넥팅 피봇(5240)의 상대 위치를 변화시키는 것에 의해 피스톤의 행정이 변화될 수 있음은 당해 기술 분야의 당업자에게 이해될 것이다.
따라서, 로킹 비임(5216)에 있어서의 커넥팅 피봇(5240)의 상대 위치와, 피스톤 로드(5224, 5228), 링크 로드(5230, 5226), 로킹 비임(5216)의 길이와, 로커 피봇(5218)의 위치의 변수에 있어서의 변화가 링크 로드(5226, 5230)의 각도 편차, 피스톤(5204, 5202)의 위상 및 장치(5300)의 사이즈를 다양한 방식으로 변경한다. 그러므로, 다양한 실시예에 있어서, 광대역의 피스톤 위상각 및 엔진의 가변적인 사이즈가 이들 변수 중 하나 이상의 변형에 기초하여 선택될 수도 있다. 실제로, 예시적인 실시예의 링크 로드(5224, 5228)는 피스톤(5204, 5202)의 종축으로부터 -0.5도 내지 +0.5도 내에서 실질적으로 측방향 이동을 한다. 다양한 다른 실시예에 있어서, 각도는 링크 로드의 길이에 의존하여, 0에 근접한 각도로부터 0.75도까지의 각도 중 임의의 각도로 바뀔 수도 있다. 그러나, 다른 실시예에 있어서는, 0에 근접한 각도로부터 대략 20도까지 각도 중 임의의 각도를 포함하는 더 높은 각도일 수도 있다. 그러나, 링크 로드 길이가 증가함에 따라서, 엔진의 무게뿐만 아니라 크랭크 케이스/전체 엔진 높이가 증가하게 된다.
예시적인 실시예의 일 특징은 각각의 피스톤이 커플링 조립체로서 형성되도록 부착된 피스톤 로드에 대해 실질적으로 연장하는 링크 로드를 갖는다는 것이다. 일 실시예에 있어서, 피스톤(5204)용 커플링 조립체(5212)는 도 52에 도시한 바와 같이 피스톤 로드(5224), 링크 로드(5226) 및 결합 수단(5234)을 포함한다. 더 상세하게는, 피스톤 로드(5224)의 일 기단부는 피스톤(5204)의 하부에 부착되고, 피스톤 로드(5224)의 말단부는 결합 수단(5234)에 의해 링크 로드(5226)의 기단부에 연결된다. 링크 로드(5226)의 말단부는 로킹 비임(5216)의 단부 피봇(5232)으로 수직으로 연장한다. 상술한 바와 같이, 결합 수단(5234)은 조인트, 힌지, 커플링, 플렉서 또는 당해 기술 분야에서 공지된 다른 수단일 수도 있지만 이에 한정되지 않는다. 본 실시예에 있어서, 피스톤 로드(5224)와 링크 로드(5226)의 비율은 상술한 바와 같이 링크 로드(5226)의 각도 편차를 결정할 수도 있다.
기기의 일 실시예에 있어서, 스털링 엔진과 같은 엔진은 크랭크 축에 하나 이상의 로킹 비임 드라이브를 채용한다. 이제 도 58을 참조하면, 전개된 "4개의 실린더"를 갖는 로킹 비임 드라이브 기구(5800)가 도시된다. 본 실시예에 있어서, 로킹 비임 드라이브 기구는 2개의 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)에 결합된 4개의 피스톤(5802, 5804, 5806, 5808)을 갖는다. 예시적인 실시예에 있어서, 로킹 비임 드라이브 기구(5800)는 한 쌍의 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)에 결합되고 4변형 배치로 위치 설정된 적어도 4개의 피스톤(5802, 5804, 5806, 5808)을 포함하는 스털링 엔진 내에서 사용되는데, 여기서 각각의 로킹 비임 드라이브는 크랭크 축(5814)에 연결된다. 그러나, 다른 실시예에 있어서는 스털링 사이클 엔진은 1 내지 4개의 피스톤 중 임의의 개수를 포함하고, 또 다른 실시예에 있어서, 스털링 사이클 엔진은 4개 이상의 피스톤을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)는 도 52 내지 도 54에 대하여 상술한 (도 52 내지 도 54에 도면 부호 5210 및 5212로서 도시한) 로킹 비임 드라이브와 실질적으로 유사하다. 본 실시예에 있어서 피스톤은 실린더 외측에 도시되지만, 실제로, 피스톤은 실린더 내측에 있을 것이다.
도 58을 계속 참조하면, 일부 실시예에 있어서, 로킹 비임 드라이브 기구(5800)는 하우징에 저널링되도록 구성되고 종방향으로 이격되고 반경 방향으로 반대 방향을 취하는 한 쌍의 크랭크 핀(5816, 5818)을 갖는 단일의 크랭크 축(5814) 및 한 쌍의 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)를 갖는다. 각각의 로킹 비임(5820, 5822)은 로커 피봇(5824, 5826)에 각각 피봇 연결되고, 크랭크 핀(5816, 5818)에 각각 피봇 연결된다. 예시적인 실시예에 있어서, 로킹 비임(5820, 5822)은 로킹 비임 축(5828)에 결합된다.
일부 실시예에 있어서, 모터/발전기는 작업 관계로 크랭크 축에 연결될 수도 있다. 모터는, 일 실시예에 있어서 로킹 비임 드라이브 사이에 위치될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 모터는 외부에 위치 설정될 수도 있다. "모터/발전기"라는 용어는 모터 또는 발전기 중 어느 하나를 의미한다.
도 59는 크랭크 축(5814)의 일 실시예를 도시한다. 영구 자석형(Permanent Magnetic ,"PM") 발전기와 같은 모터/발전기(5900)가 크랭크 축 상에 위치 설정된다. 모터/발전기(5900)는 로킹 비임 드라이브(도시 생략, 도 58에서 5810 및 5812로 도시됨)의 내부에 또는 사이에 위치 설정될 수도 있고, 또는 도 510a에 있어서 도면 부호 51000로 도시한 바와 같이 크랭크 축(5814)의 단부에 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)의 외측으로 또는 외부에 위치 설정될 수도 있다.
모터/발전기(5900)가 로킹 비임 드라이브(도시 생략, 도 58에서 5810 및 5812로 도시됨) 사이에 위치 설정될 경우, 모터/발전기(5900)의 길이는 로킹 비임 드라이브 사이의 거리로 한정된다. 모터/발전기(5900)의 사각 직경은 크랭크 축(5814)과 로킹 비임 축(5828) 사이의 거리로 한정된다. 모터/발전기(5900)의 전기 용량은 사각 직경 및 길이에 비례하기 때문에, 이러한 치수 제한으로 인해 상대적으로 짧은 길이를 갖고 상대적으로 긴 사각 직경을 갖는 용량-제한된 "팬 케이크"형 모터/발전기(5900)를 얻게 된다. "팬 케이크"형 모터/발전기(5900)의 사용은 엔진의 전반적인 치수를 감소시키지만, 내부 구성에 의해 부과된 치수 제한은 제한된 전기 용량을 갖는 모터/발전기로 이어진다.
모터/발전기(5900)를 로킹 비임 드라이브 사이에 위치 설정함으로써, 모터/발전기(5900)가 로킹 비임 드라이브의 기계적 마찰에 의해 발생되는 열에 노출된다. 모터/발전기(5900)의 내부 위치는 모터/발전기(5900)의 냉각을 더욱 어렵게 하고, 이에 의해 로킹 비임 드라이브로부터 모터/발전기(5900)에 의해 흡수되는 열 뿐만 아니라 모터/발전기(5900)에 의해 생산된 열의 영향이 커지게 된다. 이는 과열로 이어지고, 궁극적으로 모터/발전기(5900)의 고장으로 이어질 것이다.
또한 도 58 및 도 59를 모두 참조하면, 피스톤(5802, 5804, 5806, 5808)이 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)에 각각 결합되기 때문에, 모터/발전기(5900)의 내부 위치 설정은 피스톤(5802, 5804, 5806, 5808)의 부등변 구성으로 이어질 수도 있고, 거리에 있어서의 증가가 피스톤(5802, 5804)과 피스톤(5806, 5808) 사이의 거리에 있어서의 증가로 이어질 수 있다. 피스톤의 부등변 배치는 버너 및 히터 헤드의 열역학 동작에 있어서의 비효율로 이어지고, 이어서 전체 엔진 효율에 있어서의 감소로 이어진다. 또한, 피스톤의 부등변 배치는 히터 헤드 및 연소 챔버 치수에 있어서의 증가로 이어진다.
모터/발전기 배치의 예시적인 실시예에 대하여 도 510a에 도시한다. 도 510a에 도시한 바와 같이, 모터/발전기(51000)는 (도 58에서 5810, 5812로 도시한) 로킹 비임 드라이브(51010, 51012)로부터 외부에 그리고 크랭크 축(51006)의 단부에 위치 설정된다. 외부 위치는 모터/발전기(51000)가 (도 59에서 5900으로 도시한) 상술한 "팬 케이크" 모터/발전기보다 긴 길이 및 사각 직경을 갖도록 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 모터/발전기(51000)의 전기 용량은 그 길이 및 사각 직경에 비례하며, 외부의 모터/발전기(51000)는 더 긴 길이 및 사각 직경을 갖기 때문에, 도 510a에 도시한 외부의 모터/발전기(51000) 구성은 엔진과의 결합에 있어서 높은 전기 용량의 모터/발전기의 사용을 가능하게 한다.
도510a의 실시예에 도시한 바와 같이 드라이브(51010, 51012)의 외부에 모터/발전기(51000)를 위치시킴으로써, 모터/발전기(51000)는 드라이브(51010, 51012)의 기계적 마찰에 의해 발생되는 열에 노출되지 않는다. 또한, 모터/발전기(51000)의 외부로의 위치 설정은 모터/발전기의 냉각을 용이하게 하고, 이에 의해 주어진 시간당 기계적인 엔진 사이클을 증가시킬 수 있고, 이어서 전반적인 엔진 성능을 향상시킨다.
또한, 모터/발전기(51000)가 외측에 위치 설정되어 드라이브(51010, 51012) 사이에 위치 설정되지 않기 때문에, 로킹 비임 드라이브(51010, 51012)가 서로 근접하게 위치될 수 있고, 이에 의해 드라이브(51010, 51012)에 결합된 피스톤이 등변 배치로 위치될 수 있도록 한다. 일부 실시예에 있어서, 사용된 버너 타입에 따라서, 특히 단일의 버너 실시예인 경우에, 피스톤의 등변 배치는 버너 및 히터 헤드 열역학 동작에 있어서 고효율을 가능하게 하고, 이어서 전반적인 엔진 성능을 향상시킨다. 또한, 피스톤의 등변 배치는 히터 헤드 및 연소 챔버 치수의 감소를 가능하게 한다.
다시 도 58 및 도 59를 참조하면, 크랭크 축(5814)은 동축 단부(5902, 5904)를 가지고, 일 실시예에 있어서는 크랭크 저널이고, 다른 다양한 실시예에 있어서는 베어링일 수도 있지만 이에 한정되지 않는다. 각각의 동축 단부(5902, 5904)는 크랭크 축 중심축으로부터 오프셋될 수도 있는 크랭크 핀(5816, 5818)을 각각 갖는다. 적어도 하나의 카운터 웨이트(5906)는 (도 510a에서 51006으로 도시한) 크랭크 축(5814)의 어느 하나의 단부에 위치되어, 크랭크 축(5814)에 가해질 수도 있는 불안정성을 상쇄시킨다. 상술한 로킹 비임 드라이브와 결합된 크랭크 축 구성은 (도 58에서 5802, 5804, 5806, 5808로 도시한) 피스톤이 크랭크 축(5814)의 일회전에 의해 동작하는 것을 가능하게 한다. 이러한 특성에 대해 이하에서 더 서술한다. 다른 실시예에 있어서, 플라이 휠(도시 생략)이 (도 510a에서 51006으로 도시한) 크랭크 축(5814) 상에 위치되어, 보다 일정한 속도를 위해 각 속도의 변동을 감소시킬 수도 있다.
또한 도 58 및 도 59를 계속 참조하면, 일부 실시예에 있어서, 냉각기(도시 생략)가 (도 510a에서 51006으로 도시한) 크랭크 축(5814) 및 (도 510a에서 51010, 51012로 도시한) 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)를 따라 위치 설정되어, 크랭크 축(5814) 및 로킹 비임 드라이브(5810, 5812)를 냉각시킬 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 냉각기는 실린더의 저온 챔버 내에서 작동 가스를 냉각시키도록 사용될 수도 있고, 또한 로킹 비임 드라이브를 냉각시키도록 구성될 수도 있다. 냉각기의 다양한 실시예에 대하여 이하에서 상세하게 기술한다.
도 510a 내지 도 510g는 기기의 다양한 부분에 대한 일부 실시예에 대해 도시한다. 본 실시예에 도시한 바와 같이, 크랭크 축(51006)은 모터/발전기 커플링 조립체를 통해 모터/발전기(51000)에 결합된다. 모터/발전기(51000)가 크랭크 케이스(51008)에 장착되기 때문에, 대전된 유체에 의한 크랭크 케이스의 가압이 크랭크 케이스의 변형을 야기하고, 이것은 이어서 모터/발전기(51000)와 크랭크 축(51006) 사이의 오정렬을 야기하여 크랭크 축(51006)을 편향시킨다. 로킹 비임 드라이브(51010, 51012)가 크랭크 축(51006)에 결합되기 때문에, 크랭크 축(51006)의 편향은 로킹 비임 드라이브(51010, 51012)의 고장으로 이어진다. 따라서, 기기의 일 실시예에 있어서, 모터/발전기 커플링 조립체는 모터/발전기(51000)를 크랭크 축(51006)에 결합시키도록 사용된다. 모터/발전기 커플링 조립체는 동작 중에 로킹 비임 드라이브(51010, 51012)의 고장의 원인이 되는 모터/발전기(51000)와 크랭크 축(51006) 사이의 정렬에 있어서의 차를 조절한다.
도 510a 내지 도 510g를 계속 참조하면, 일 실시예에 있어서, 모터/발전기 커플링 조립체는 모터/발전기(51000)의 슬리브 회전자(51002), 스플라인축(51004) 및 크랭크 축(51006)을 포함하는 스플라인 조립체이다. 스플라인축(51004)은 크랭크 축(51006)의 일 단부를 슬리브 회전자(51002)에 결합시킨다. 슬리브 회전자(51002)는 프레스 끼워 맞춤, 용접, 나사 결합 등과 같은 기계적 수단에 의해 모터/발전기(51000)에 부착된다. 일 실시예에 있어서, 스플라인축(51004)은 축의 양단부 상에 복수의 스플라인을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 스플라인축(51004)은 스플라인 부분(51016, 51018)의 외경 또는 내보다 작은 직경을 갖는 스플라인이 없는 중간 부분(51014)을 포함한다. 또한 다른 실시예에 있어서, 스플라인축(51016)의 일단부는 역시 스플라인을 포함하는 제2 단부(51018)보다 축을 따라서 보다 긴 거리에 대해 연장되는 스플라인을 갖는다.
일부 실시예에 있어서, 슬리브 회전자(51002)는 슬리브 회전자(51002)의 종축을 따라 연장되는 개구(51020)를 포함한다. 개구(51020)는 스플라인축(51004)을 수용할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 개구(51020)는 스플라인축(51004)의 일단부에서 스플라인을 결합시킬 수 있는 복수의 내측 스플라인(51022)을 포함한다. 내측 스플라인(51022)의 외경(51028)은 스플라인축(51004) 상의 스플라인의 외경(51030)보다 크게 설정되어, (도 510e에 도시한 바와 같이) 내측 스플라인(51022)과 스플라인축(51004) 상의 스플라인 사이의 맞춤을 느슨하게 할 수 있다. 내측 스플라인(51022)과 스플라인축(51004) 상의 스플라인 사이의 느슨한 맞춤은 크랭크 케이스 가압에 의해 발생될 수도 있는 스플라인축(51004)의 편향 동안, 스플라인축(51004)과 회전자 슬리브(51002) 사이의 스플라인 결합을 유지시키는데 도움이 된다. 다른 실시예에 있어서, 스플라인축(51004)의 보다 긴 스플라인부(51016)가 회전자(51002)의 내부 스플라인(51022)에 결합될 수도 있다.
도 510a 내지 도 510g를 계속 참조하면, 일부 실시예에 있어서, 크랭크 축(51006)은 그 단부에 스플라인축(51004)의 일단부를 수용할 수 있는 개구(51024)를 갖는다. 개구(51024)는 스플라인축(51004) 상의 스플라인을 결합시킬 수 있는 복수의 내부 스플라인(51026)을 포함하는 것이 바람직하다. 내부 스플라인(51026)의 외경(51032)은 스플라인축(51004) 상의 스플라인의 외경(51034)보다 크게 설정되어, (도 510f에 도시한 바와 같이) 내부 스플라인(51026)과 스플라인축(51004) 상의 스플라인 사이의 맞춤을 느슨하게 할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 내부 스플라인(51026)과 스플라인축(51004) 상의 스플라인 사이의 느슨한 맞춤은 크랭크 케이스 가압에 의해 발생될 수도 있는 스플라인축(51004)의 편향 동안, 스플라인축(51004)과 크랭크 축(51006) 사이의 스플라인 결합을 유지시키는데 도움이 된다. 크랭크 축(51006) 및 슬리브 회전자(51002) 상의 내부 스플라인(51026, 51022)과 스플라인축(51004) 상의 스플라인 사이의 느슨한 맞춤은 스플라인축(51004)의 편향을 유지시키는데 도움이 될 수도 있다. 이것은 크랭크 축(51006)과 슬리브 회전자(51002) 사이의 오정렬을 허용할 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 스플라인축(51004) 중 짧은 스플라인부(51018)는 크랭크 축(51006)의 개구(51024)에 결합됨으로써 이런 잠재적 오정렬을 방지할 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 슬리브 회전자(51002)의 개구(51020)는 개구(51020)의 길이를 따라 연장하는 복수의 내부 스플라인을 포함한다. 이러한 배치는 조립하는 동안에 스플라인축(51004)을 개구(51020)에 적절하게 삽입시키도록 하는데 도움이 된다. 이것은 스플라인축(51004) 상의 스플라인과 슬리브 회전자(51002) 상의 내부 스플라인 사이에 정확한 정렬을 유지시키는데 도움이 된다.
이제 도 54를 참조하면, 엔진의 일 실시예에 대해 도시한다. 여기서 엔진(5300)의 피스톤(5202, 5204)은 각각의 실린더(5206, 5208)의 고온 챔버(5404) 및 저온 챔버(5406) 사이에서 작동한다. 2개의 챔버 사이에 재생기(5408)가 있을 수도 있다. 재생기(5408)는 가변 밀도, 가변 면적을 가지며, 일부 실시예에 있어서 와이어로 이루어질 수도 있다. 재생기의 밀도 및 면적은 다양하게 조절되어, 작동 가스가 재생기(5408)를 가로질러 실질적으로 균일한 유동을 갖게 할 수도 있다. 재생기(5408)의 다양한 실시예에 대해서는 이하에서와, 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며, 케이먼 등에게 2005년 3월 8일자로 허여된 미국 특허 제6,862,883호 및 케이먼 등에게 2003년 7월 17일자로 허여된 미국 특허 제6,591,609호에서 더욱 상세하게 기술한다. 작동 가스가 고온 챔버(5404)를 통과하는 경우, 히터 헤드(5410)는 가스를 가열하여, 가스를 팽창시키고 가스가 압축되는 저온 챔버(5406)를 향해 피스톤(5202, 5204)을 가압한다. 가스가 저온 챔버(5406)에서 압축됨에 따라서, 피스톤(5202, 5204)은 고온 챔버를 향해 다시 안내되어 스털링 사이클을 다시 행하게 된다. 히터 헤드(5410)는 (도 552a 내지 도 553b에 도시한) 핀 헤드, (도 556a 내지 도 556c에 도시한) 핀 헤드, (도 556a 내지 도 556c에 도시한) 절첩된 핀 헤드, 도 54에 도시한 바와 같은 (또한 도 529에서 2904로 도시한) 히터 튜브 또는 이하에서 기술하는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 공지된 임의의 다른 히터 헤드 실시예일 수도 있다. 히터 헤드(5410)의 다양한 실시예에 대하여 이하에서와, 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며, 케이먼 등에게 2002년 5월 7일자로 허여된 미국 특허 제6,381,958호, 랑겐펠트(Langenfeld) 등에게 2003년 4월 8일자로 허여된 제6,543,215호, 케이먼 등에게 2005년 11월 22일자로 허여된 미국 특허 제6,966,182호 및 라로크(LaRocque) 등에게 2007년 12월 18일자로 허여된 미국 특허 제7,308,787호에서 더욱 상세하게 기술한다.
일부 실시예에 있어서, 냉각기(5412)는 실린더(5206, 5208)와 나란히 위치 설정되어 저온 챔버(5406)를 통과하는 가스를 추가로 냉각시킬 수도 있다. 냉각기(5412)의 다양한 실시예에 대하여 현재 기술 부분에서와, 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며, 스트림링(Strimling) 등에게 2008년 2월 5일자로 허여된 미국 특허 제7,325,399호에서 상세하게 기술한다.
일부 실시예에 있어서, 적어도 하나의 피스톤 밀봉부(5414)가 피스톤(5202, 5204) 상에 위치 설정되어, 저온부(5406)로부터 고온부(5404)를 밀봉할 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 피스톤 가이드 링(5416)이 피스톤(5202, 5204) 상에 위치 설정되어 그들 각각의 실린더 내에서의 피스톤 운동을 안내할 수도 있다. 피스톤 밀봉부(5414) 및 가이드 링(5416)의 다양한 실시예에 대해서 이하에서와, 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며 2002년 6월 19일자로 출원되고 2003년 2월 6일자로 공개된 미국 특허출원 제10/175,502호(현재 포기됨)에서 더욱 상세하게 기술한다.
일부 실시예에 있어서, 적어도 하나의 피스톤 로드 밀봉부(5418)가 피스톤 로드(5224, 5228)에 대해 위치되어 작동 가스가 크랭크 케이스(5400)로 또는 다르게는 에어 로크 공간(5420)으로 배출되는 것을 방지할 수도 있다. 피스톤 로드 밀봉부(5418)는 엘라스토머 밀봉 또는 스프링 하중식 밀봉일 수도 있다. 피스톤 로드 밀봉부(5418)의 다양한 실시예에 대해서 이하에서 기술한다.
일부 실시예에 있어서, 에어 로크 공간은, 예를 들어 롤링 다이아프램 및/또는 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 벨로우즈 실시예에 있어서 제거될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 피스톤 로드 밀봉부(5224, 5228)는 작동 공간을 크랭크 케이스로부터 밀봉한다.
일부 실시예에 있어서, 적어도 하나의 롤링 다이아프램/벨로우즈(5422)가 피스톤 로드(5224, 5228)를 따라 위치되어 에어 로크 가스가 크랭크 케이스(5400)로 배출되는 것을 방지한다. 롤링 다이아프램(5422)의 다양한 실시예에 대해서 아래에서 더욱 상세하게 기술한다.
도 54가 2개의 피스톤 및 1개의 로킹 비임 드라이브를 갖는 엔진(5300)의 단면을 도시하지만, 본원에서 기술되는 작동 원리는 도 58에 있어서 도면 부호 5800으로 나타낸 바와 같이 4개의 실린더 및 더블 로킹 비임 드라이브 엔진에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
피스톤 동작
이제 도 58 및 도 511을 참조하면, 도 511은 크랭크 축(5814)의 1회전 동안의 피스톤(5802, 5804, 5806, 5808)의 동작을 도시한다. 크랭크 축(5814)의 1/4 회전에 의해, 피스톤(5802)은 그 실린더의 정상부, 달리 말하면 상사점으로 공지된 부위에 있고, 피스톤(5806)은 상향 중간 행정에 있고, 피스톤(5804)은 그 실린더의 바닥부, 달리 말하면 하사점으로 공지된 부위에 있고, 피스톤(5808)은 하향 중간 행정에 있다. 크랭크 축(5814)의 1/2 회전에 의해, 피스톤(5802)은 하향 중간 행정에 있고, 피스톤(5806)은 상사점에 있고, 피스톤(5804)은 상향 중간 행정에 있고, 피스톤(5808)은 하사점에 있다. 크랭크 축(5814)의 3/4 회전에 의해, 피스톤(5802)은 하사점에 있고, 피스톤(5806)은 하향 중간 행정에 있고, 피스톤(5804)은 상사점에 있고, 피스톤(5808)은 상향 중간 행정에 있다. 마지막으로, 크랭크 축(5814)의 완전한 회전에 의해, 피스톤(5802)은 상향 중간 행정에 있고, 피스톤(5806)은 하사점에 있고, 피스톤(5804)은 하향 중간 행정에 있고, 피스톤(5808)은 상사점에 있다. 각각의 1/4 회전 동안, 피스톤(5802, 5806) 사이에 90도의 위상차, 피스톤(5802, 5804) 사이에 180도의 위상차, 피스톤(5802, 5808) 사이에 270도의 위상차가 존재한다. 도 512a는 이전 및 다음의 피스톤과 위상이 대략 90도 벗어나 있는 피스톤의 관계를 도시한다. 또한, 도 511은 일을 전달하는 기기 수단의 예시적인 실시예에 대해 도시한다. 따라서, 일은 피스톤(5802)에서 피스톤(5806)으로, 이어서 피스톤(5804)으로, 이어서 피스톤(5808)으로 전달되어 크랭크 축(5814)의 완전한 회전에 의해, 모든 피스톤은 그들 각각의 실린더의 정상부로부터 바닥부로 이동함으로써 일을 가한다.
이제 도 512a 내지 도 512c와 함께 도 511을 참조하면, 예시적인 실시예에 있어서의 피스톤 사이의 90도의 위상차를 도시한다. 이제 도 512a를 참조하면, 실린더가 선형 경로를 갖는 것으로 도시되었지만 이는 단지 설명을 위한 것이다. 4개 실린더 스털링 사이클 기기의 예시적인 실시예에 있어서, 실린더 작업 공간 내에 포함된 작동 가스의 유동 경로는 8자 모양 패턴을 따른다. 따라서, 실린더(51200, 51202, 51204, 51206)의 작업 공간은 8자 모양 패턴, 예를 들어 실린더(51200)로부터 실린더(51202)를 거쳐 실린더(51204)를 거쳐 실린더(51208)로 연결되고, 유체 유동 패턴은 8자 모양 패턴을 따른다. 도 512a를 계속 참조하면, (도 512c에 도시한) B-B 선을 따라서 취해진 실린더(51200, 51202, 51204, 51206)의 전개도에 대해 도시한다. 상술한 바와 같은 피스톤 사이의 90도 위상차는 실린더(51204)의 고온부(51212)에 있어서의 작동 가스를 실린더(51206)의 저온부(51222)로 이송되도록 한다. 피스톤(5802, 5808)의 위상이 90도로 어긋나므로, 실린더(51206)의 고온부(51214) 내의 작동 가스는 실린더(51200)의 저온부(51216)로 이송된다. 또한 피스톤(5802) 및 피스톤(5806)의 위상도 90도로 어긋나므로, 실린더(51200)의 고온부(51208) 내의 작동 가스는 실린더(51202)의 저온부(51218)로 이송된다. 그리고 피스톤(5804) 및 피스톤(5806)의 위상도 90도로 어긋나므로, 실린더(51202)의 고온부(51210) 내의 작동 가스는 실린더(51204)의 저온부(51220)로 이송된다. 일단 제1 실린더의 고온부 내의 작동 가스가 제2 실린더의 저온부로 유입되면, 작동 가스는 응축하기 시작하고, 그 하향 행정에 있는 제2 실린더 내의 피스톤은 (도 512b에 도시한) 히터 헤드(5122) 및 재생기(51224)를 통해 제1 실린더의 고온부로 다시 돌아가도록 압축된 작동 가스에 힘을 가한다. 일단 제1 실린더의 고온부 내측에서, 가스는 팽창하여 그 실린더 내의 피스톤을 하향으로 구동하여, 제 1 실린더의 저온부 내의 작동 가스를 앞선 재생기 및 히터 헤드를 통해 실린더 내부로 유도되게 한다. 도 512a에 도시한 바와 같이, 각각의 피스톤 사이클 운동은 이전 피스톤의 운동에 대략 90도 앞서는 방식으로, 피스톤(5802, 5804, 5806, 5808)이 드라이브(5810, 5812)를 통해 (도 511에 도시한) 공통의 크랭크 축(5814)에 연결되기 때문에, 실린더(51200, 51202, 51204, 51206) 사이의 작동 가스의 이러한 사이클 이동 특성이 가능하다.
롤링 다이아프램, 금속 벨로우즈, 에어 로크 및 압력 조정기
스털링 사이클 기기의 일부 실시예에 있어서, 윤활 유체를 사용한다. 윤활 유체가 크랭크 케이스를 빠져나가는 것을 방지하기 위해서 밀봉부를 사용한다.
이제 도 513a 내지 도 515를 참조하면, 스털링 사이클 기기의 일부 실시예는 피스톤 로드(51302)를 따라 위치 설정되는 롤링 다이아프램(51300)을 이용하는 유체 윤활식 로킹 비임 드라이브를 포함하여, 윤활 유체가 크랭크 케이스, 도시하지 않았지만, 도면 부호 51304로 나타내는 크랭크 케이스 내에 수납된 구성 요소로부터 빠져나가는 것을 방지하고, 윤활 유체에 의해 손상될 수도 있는 엔진 영역으로의 유입을 방지한다. 윤활 유체가 도시하지 않은 작업 공간으로 유입되는 경우를 위해서 윤활 유체를 포함하는 것이 유리하지만, 도면 부호 51306으로서 표시되는 작업 공간에 수납된 구성 요소에 대해서는 작업 유체를 오염시키고, 재생기(51308)와 접촉하여, 재생기(51308)를 막히게 할 수도 있다. 롤링 다이아프램(51300)은 고무 또는 직물이나 부직포로 보강된 고무와 같은 엘라스토머 재료로 제조되어 강성을 제공할 수도 있다. 다르게는, 롤링 다이아프램(51300)은 직물 또는 부직포와 함께 니트릴 또는 플루오로실리콘과 같은 다른 재료로 제조될 수도 있다. 롤링 다이아프램(51300)은 예를 들어, 엘라스토머 내에 분산된 등록상표 KEVLAR 또는 폴리에스테르의 섬유와 함께 부직포인 탄소 나노 튜브 또는 개조된 직물로 제조될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 롤링 다이아프램(51300)은 정상부 밀봉 피스톤(51328) 및 바닥부 밀봉 피스톤(51310)에 의해 지지된다. 다른 실시예에 있어서, 도 13a에 도시한 롤링 다이아프램(51300)은 밀봉 피스톤(51328) 내의 노치를 통해 지지된다.
일부 실시예에 있어서, 압력 차등이 롤링 다이아프램(51300)을 가로질러 존재하므로, 밀봉부(51300)에 대한 압력은 크랭크 케이스(51304)에서의 압력과는 다르다. 압력 차등이 동작 전반에 걸쳐서 롤링 다이아프램의 형상을 확실하게 유지시기 때문에, 이러한 압력 차등은 밀봉부(51300)를 부풀게 하여, 밀봉부(51300)가 동적 밀봉부로서 역할한다. 도 513a 및 도 513c 내지 도 513h는 압력 차등이 롤링 다이아프램에 영향을 주는 방법에 대해서 도시한다. 압력 차등은 롤링 다이아프램(51300)이 피스톤 로드(51302)와 함께 이동할 때 바닥부 밀봉 피스톤(51310)의 형상과 부합되도록 하고, 작동 중 피스톤(51310)의 표면으로부터의 밀봉부(51300)의 분리를 방지한다. 그러한 분리는 밀봉부의 파손을 야기한다. 압력 차등은 롤링 다이아프램(51300)이 피스톤 로드(51302)와 함께 이동할 때 바닥부 밀봉 피스톤(51310)과의 접촉을 유지시킨다. 이것은 밀봉부(51300)의 일측면이 항상 가압되기 때문에 일어나는 것으로서, 밀봉부(51300)를 부풀려 바닥부 밀봉 피스톤(51310)의 표면에 부합시킨다. 일부 실시예에 있어서, 정상부 밀봉 피스톤(51328)은 바닥부 밀봉 피스톤(51310)과 접촉하는 롤링 다이아프램(51300)의 코너부를 롤링 오버(rolling over)시켜, 밀봉부(51300)와 바닥부 밀봉 피스톤(51310)과의 접촉을 더욱 유지시킨다. 예시적인 실시예에 있어서, 압력 차등은 대략 68.95 ㎪ 내지 103.42 ㎪ (10 내지 15 PSI) 범위에 있다. 압력 차등에 있어서 더 작은 압력이 크랭크 케이스(51304) 내에 존재하는 것이 바람직하므로, 롤링 다이아프램(51300)은 크랭크 케이스(51304) 내부로 팽창될 수도 있다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 압력 차등은 큰 또는 작은 범위의 값을 가질 수도 있다.
압력 차등은 이하의 가압 윤활 시스템, 공압 펌프, 센서, 전동 펌프, 크랭크 케이스(51304)에서의 압력 상승을 생성하도록 로킹 비임을 진동시키는 것, 롤링 다이아프램(51300) 상에 정전하를 생성하는 것, 또는 다른 유사한 방법을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 압력 차등은 작업 공간(51306)의 평균 압력보다 낮은 압력으로 크랭크 케이스(51304)를 가압함으로써 생성된다. 일부 실시예에 있어서 크랭크 케이스(51304)는 작업 공간(51306)의 평균 압력보다 낮은 대략 68.95 ㎪ 내지 103.42 ㎪ (10 내지 15 PSI) 범위의 압력으로 가압되지만, 다양한 다른 실시예에 있어서, 압력 차등은 보다 작거나 보다 클 수도 있다. 롤링 다이아프램에 관한 상세는 이하에 포함된다.
그러나 이제 도 513c, 513g 및 513h를 참조하면, 스털링 기기의 다른 실시예가 도시되며, 여기서, 작업 공간(51306)과 크랭크 케이스(51304) 사이에 에어 로크 공간(51312)이 위치한다. 에어 로크 공간(51312)은 상술한 바와 같이 롤링 다이아프램(51300)의 기능을 위해 필요한 압력 차등을 생성하도록 필요한 일정한 체적 및 압력을 유지한다. 일 실시예에 있어서, 에어 로크(51312)는 작업 공간(51306)으로부터 완전하게 밀봉되지 않으므로, 에어 로크(51312)의 압력은 작업 공간(51306)의 평균 압력과 동일하다. 따라서, 일부 실시예에 있어서, 작업 공간과 크랭크 케이스 사이의 효율적 밀봉의 부족이 에어 로크 공간을 필요로 하게 만든다. 따라서, 에어 로크 공간은, 일부 실시예에 있어서는, 더 유효하고 효과적인 밀봉부에 의해 제거될 수도 있다.
동작 중, 작업 공간(51306) 평균 압력이 변경되면, 에어 로크(51312) 평균 압력 또한 변하게 된다. 압력이 변경되기 쉬운 이유 중 하나는 동작 중 작업 공간이 점점 뜨거워져 작업 공간에 있어서의 압력을 증가시키고, 작업 공간 및 에어 로크는 유체 연통 관계에 있으므로, 결과적으로 에어 로크에 있어서의 압력을 증가시키는 것으로 이어지기 때문이다. 또한 그러한 경우, 에어 로크(51312)와 크랭크 케이스(51304) 사이의 압력 차등이 변경되는 것에 의해, 밀봉의 이상으로 이어질 수 있는 롤링 다이아프램(51300)에 있어서의 불필요한 응력을 유발시킨다. 따라서, 기기의 일부 실시예에 있어서, 에어 로크(51312) 내의 평균 압력은 에어 로크(51312)와 크랭크 케이스(51304) 사이에 일정한 소정의 압력 차등을 유지시키도록 조절되어, 확실하게 롤링 다이아프램(51300)이 팽창된 채로 유지되고, 그 형상이 유지되게 한다. 일부 실시예에 있어서, 압력 변화기를 사용하여 에어 로크와 크랭크 케이스 사이의 압력 차등을 관찰 및 관리하고, 압력을 조절함으로써 에어 로크와 크랭크 케이스 사이에 일정한 압력 차등을 유지시킨다. 사용 가능한 압력 조절기의 다양한 실시예에 대하여 이하에서와, 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며, 거스키(Gurski) 등에게 2007년 12월 25일자로 허여된 미국 특허 제7,310,945호에서 더욱 상세하게 기술한다.
에어 로크(51312)와 크랭크 케이스(51304) 사이의 일정한 압력 차등은 펌프 또는 배기 밸브를 통해 에어 로크(51312)로부터 작동 유체를 부가 또는 제거함으로써 얻어질 수도 있다. 다르게는, 에어 로크(51312)와 크랭크 케이스(51304) 사이의 일정한 압력 차등은 펌프 또는 배기 밸브를 통해 크랭크 케이스(51304)로부터 작동 유체를 부가 또는 제거함으로써 얻어질 수도 있다. 펌프 및 배기 밸브는 압력 조절기에 의해 조절될 수도 있다. 작동 유체는 작동 유체 용기와 같은 분리된 공급원으로부터 에어 로크(51312)[또는 크랭크 케이스(51304)]에 부가될 수도 있고, 혹은 크랭크 케이스(51304)로부터 전달될 수도 있다. 작동 유체가 크랭크 케이스(51304)로부터 에어 로크(51312)로 이동되어야만 한다면, 엔진 고장을 유발할 수도 있기 때문에, 에어 로크(51312)를 통과하기 전에 작동 유체를 여과시킴으로써, 임의의 윤활제가 크랭크 케이스(51304)로부터 에어 로크(51312)를 통과하는 것, 궁극적으로는 작업 공간(51306)을 통과하는 것을 방지한다.
기기의 일부 실시예에 있어서, 크랭크 케이스(51304)는 작동 유체와 다른 열특성을 갖는 유체로 채워질 수도 있다. 예를 들어, 작동 가스가 헬륨 또는 수소인 경우, 크랭크 케이스는 아르곤으로 채워질 수도 있다. 따라서, 크랭크 케이스는 가압된다. 일부 실시예에 있어서 헬륨이 사용되지만 다른 실시예에 있어서는 본원에서 기술한 바와 같은 임의의 불활성 가스가 사용될 수도 있다. 따라서, 본 예시적인 실시예에 있어서 크랭크 케이스는 습윤 가압된 크랭크 케이스이다. 윤활 유체가 사용되지 않는 다른 실시예에 있어서, 크랭크 케이스는 습윤 상태가 아니다.
예시적인 실시예에 있어서, 롤링 다이아프램(51300)은 가스 또는 액체가 통과하는 것을 허용하지 않는데, 이는 작업 공간(51306)을 건조하게 유지시키고, 크랭크 케이스(51304)가 윤활 유체에 대한 습식 섬프가 되도록 한다. 습식 섬프 크랭크 케이스(51304)를 허용하는 것은 로킹 비임 구동(51316)의 마찰을 줄일 수 있기 때문에 엔진의 효율성 및 수명을 증가시킨다. 또한, 일부 실시예에 있어서는, 윤활 유체 및 롤링 다이아프램(51300)의 사용으로 드라이브(51316)의 롤러 베어링 또는 볼 베어링의 사용이 제거될 수도 있다. 이것은 엔진 소음을 감소시키고 엔진 수명 및 효율성을 증가시킨다.
도 514a 내지 도 514e는 (도 513a 및 도 513h에서 51328 및 51310로 도시한) 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이와, (도 513a에서 51320 및 51318로 도시한) 정상부 장착면과 바닥부 장착면 사이에 장착되도록 구성된 (51400, 51410, 51412, 51422, 51424로 도시한) 롤링 다이아프램의 다양한 실시예의 단면에 대해 도시한다. 일부 실시예에 있어서, 정상부 장착면은 에어 로크 또는 작업 공간의 표면일 수도 있고, 바닥부 장착면은 크랭크 케이스의 표면일 수도 있다.
도 514a는 롤링 다이아프램(51400)이 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이에 위치 설정될 수도 있는 편평한 내부 단부(51402)를 포함하여, 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이에 밀봉부를 형성하는 롤링 다이아프램(51400)의 일 실시예에 대해 도시한다. 또한 롤링 다이아프램(51400)은 정상부 장착면과 바닥부 장착면 사이에 위치 설정될 수도 있는 편평한 외부 단부(51404)를 포함하여, 정상부 장착면과 바닥부 장착면 사이에 밀봉부를 형성한다. 도 514b는 롤링 다이아프램의 또 다른 실시예에 대해 도시하는데, 여기서 롤링 다이아프램(51410)은 편평한 내부 단부(51406)에 이르는 복수의 굴곡부(51408)를 포함하여, 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이에 추가적인 지지 및 밀봉 접촉을 제공한다. 도 514c는 롤링 다이아프램의 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 롤링 다이아프램(51412)은 편평한 외부 단부(51414)에 이르는 복수의 굴곡부(51416)를 포함하여, 정상부 장착면과 바닥부 장착면 사이에 추가적인 지지 및 밀봉 접촉을 제공한다.
도 514d는 롤링 다이아프램의 또 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 롤링 다이아프램(51422)은 그 내부 단부(51420)를 따라서 비드를 포함하여, 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이에 o-링 형태의 밀봉부를 형성하고, 그 외부 단부(51418)를 따라서 비드를 포함하여, 바닥부 장착면과 정상부 장착면 사이에 o-링 형태의 밀봉부를 형성한다. 도 514e는 롤링 다이아프램의 또 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 롤링 다이아프램(51424)은 비드 형상의 내부 단부(51426)에 이르는 복수의 굴곡부(51428)를 포함하여 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이에 추가적인 지지 및 밀봉 접촉을 제공한다. 또한 롤링 다이아프램(51424)은 비드 형상의 외부 단부(51432)에 이르는 복수의 굴곡부(51430)를 포함하여 정상부 밀봉 피스톤과 바닥부 밀봉 피스톤 사이에 추가적인 지지 및 밀봉 접촉을 제공한다.
도 514a 내지 도 514e가 롤링 다이아프램의 다양한 실시예에 대해 도시하지만, 롤링 다이아프램은 당해 기술 분야에서 공지된 임의의 다른 기계적 수단에 의해 적소에 고정될 수도 있음을 이해하여야 한다.
이제 도 515a를 참조하면, 롤링 다이아프램의 일 실시예의 단면을 도시한다. 금속 벨로우즈(51500)가 피스톤 로드(51502)를 따라 위치 설정되어 (도 513g에서 51306 및 51312로 도시한) 에어 로크 또는 작업 공간으로부터 (도 513g에서 51304로 도시한) 크랭크 케이스를 밀봉시킨다. 금속 벨로우즈(51500)는 상부 밀봉 피스톤(51504) 및 고정 장착면(51506)에 부착될 수도 있다. 다르게는, 금속 벨로우즈(51500)는 하부 밀봉 피스톤(도시 생략) 및 정상부 고정 장착면에 부착될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 바닥부 고정 장착면은 크랭크 케이스면 또는 내측 에어 로크 또는 작업 공간면일 수도 있고, 정상부 고정 장착면은 내부 크랭크 케이스면, 또는 외부 에어 로크 또는 작업 공간면일 수도 있다. 금속 벨로우즈(51500)는 용접, 납땜, 또는 당해 분야에서 공지된 임의의 기계적 방법에 의해 부착될 수도 있다.
도 515b 내지 도 515g는 금속 벨로우즈의 다양한 실시예의 사시도인데, 여기서 금속 벨로우즈는 용접된 금속 벨로우즈(51508)이다. 금속 벨로우즈의 일부 실시예에 있어서, 금속 벨로우즈는 마이크로 용접된 금속 벨로우즈인 것이 바람직하다. 일부 실시예에 있어서, 용접된 금속 벨로우즈(51508)는 도 515c 및 도 515d에 도시한 바와 같이 내부 단부(51512) 또는 외부 단부(51514) 중 어느 하나에서 서로에 대해 용접되는 복수의 다이아프램(51510)을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 다이아프램(51510)은 초승달형(51516), 편평한형(51518), 잔물결형(51520), 또는 본 기술 분야에서 공지된 임의의 다른 형상일 수도 있다.
또한, 다르게는 금속 벨로우즈는 다이 성형, 하이드로포밍, 폭발 하이드로포밍, 하이드라몰링, 또는 당해 기술 분야에서 공지된 임의의 다른 방법과 같은 수단에 의해 기계적으로 형성될 수도 있다.
강철, 스테인레스 강, 스테인레스 강374, AM-350 스테인레스 강, 인코넬, 하스텔로이, 하이네스, 티타늄, 또는 임의의 다른 고강도, 내부식성 재료를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 임의의 형태의 금속으로 제조될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 사용된 금속 벨로우즈는 메사추세츠주 샤론 소재의 시니어 에어로스페이스 메탈 벨로우즈 디비젼(senior Aerospace Metal Bellows Division) 또는 조지아주 커밍 소재의 아메리칸 보아(American BOA)사로부터 입수 가능하다.
롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 실시예
밀봉 기능을 하는 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈의 다양한 실시예에 대해 상술한다. 추가 실시예는 상기의 설명과, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈의 변수와 관련하여 추가의 아래 설명을 기초하면 당해 기술 분야의 당업자들에게 명백할 것이다.
일부 실시예에 있어서, 에어 로크 공간 또는 에어 로크 영역(두 용어는 교환해서 사용 가능함)에 있어서 롤링 다이아프램 또는 벨로우즈의 정상부의 압력은 일부 실시예에 있어서 엔진인 기기에 대한 평균 작동 가스 압력이며, 크랭크 케이스 영역 내의 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 아래의 압력은 주변/대기압이다. 이런 실시예에 있어서, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈는 이를 가로지르는 대략20684.27 ㎪(3000 psi) [일부 실시예에 있어서는 대략 10342.14 ㎪(1500 psi) 이상까지]정도의 압력으로 작동하는 것이 요구된다. 이러한 경우에 있어서, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 밀봉 기기(예시적인 실시예에 있어서는 엔진)를 위한 (헬륨, 수소 또는 기타) 작동 가스 격납 차단부를 형성한다. 또한, 이러한 실시예에 있어서는, 종래의 내연("IC") 엔진과 마찬가지로, 단순하게 대기압에서 윤활 유체(본 예시적인 실시예에 있어서는 윤활 유체로서 오일이 사용됨) 및 공기를 포함하는 것을 요구하기 때문에, 엔진의 바닥 단부를 포함하는 무겁고, 압력 정격인 구조용 용기가 필요 없게 된다.
가로지르는 극압에 의한 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 밀봉의 사용 능력은 여러 변수의 상호 작용에 의존한다. 이제 도 515h를 참조하면, 롤링 다이아프램 또는 벨로우즈 재료에 작용하는 실제 하중에 대한 설명이 도시된다. 도시한 바와 같이, 하중은 설치된 롤링 다이아프램 또는 벨로우즈 밀봉을 위한 압력 차등 및 환형 갭 영역의 기능을 가진다.
영역 1은 피스톤 및 실린더에 의해 형성되는 벽부와 접촉하고 있는 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈의 일부를 나타낸다. 본래 하중은 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈를 가로지르는 압력 차등으로 인한, 축방향으로의 인장 하중이다. 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈를 가로지르는 압력으로 인한 인장 하중은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Lt = Pd * Aa
여기서
Lt = 인장 하중 그리고
Pd = 압력 차등
Aa = 환형 영역
그리고
Aa = p / 4 * (D2- d2)
여기서
D = 실린더 보어 그리고
d = 피스톤 직경
벨로우즈 재료에 있어서의 응력의 인장 요소는 다음과 같이 근사될 수 있다.
St = Lt / (p * (D+d) * tb)
이것을 정리하면,
St = Pd /4 * (D-d) / tb
다음, 실린더 보어(D) 및 피스톤 직경(d)에 대한 선회(convolution) 반경(Rc)의 관계를 다음과 같이 나타낸다.
Rc= (D-d)/4
그래서 St대한 이 식을 그 최종 폼으로 정리한다.
St = Pd * Rc / tb
여기서
tb = 벨로우즈 재료의 두께
도 515h를 계속 참조하면, 영역 2는 선회를 나타낸다. 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 재료가 코너부를 선회하기 때문에, 선회에 있어서, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 재료에 부과되는 후프 응력을 계산할 수도 있다. 선회를 형성하는 벨로우즈의 섹션에 대해, 응력의 후프 성분이 다음과 같이 근사될 수 있다.
Sh = Pd* Rc / tb
롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈가 내부로 롤링하는 환형 갭을 일반적으로 선회 영역이라고 언급한다. 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 피로 수명은 일반적으로, 섬유가 선회를 통해 롤링하는 경우 벤딩으로 인한 피로뿐만 아니라 압력 차등으로 인한 인장(및 후프) 하중 모두로부터의 결합 응력에 의해 제한된다. 섬유가 이 "롤링" 동안에 취하는 있는 반경이, 여기서 선회 반경(Rc)으로서 정의된다.
Rc= (D-d)/4
그것이 선회 반경(Rc)을 통해 롤링하기 때문에 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈에 있어서의 굽힘 응력(Sb)은, 굴곡부에 있어서의 재료의 두께뿐만 아니라 반경의 함수이다. 섬유 보강된 재료에 대하여, (예시적인 실시예에 있어서 전술된 편향 동안) 섬유 자체에 있어서의 응력은 섬유 직경이 감소함에 따라서 감소된다. 동일한 레벨의 굴곡에 대하여 합성 응력이 낮을수록 피로 수명 한계가 높아지게 된다. 섬유직경이 보다 감소할 경우, 선회 반경(Rc)을 감소시키도록 가요성이 얻어지고, 섬유에 있어서의 굽힘 응력이 그 내구 한계 하에서 유지된다. 동시에, Rc가 감소할 경우, 피스톤과 실린더 사이의 환형부 내에 지지되지 않는 영역이 작아지므로 섬유에 가해지는 인장 하중이 감소된다. 섬유 직경이 작을수록, Rc가 작아지게 되고, 환형 영역이 작아지게 되어, 이는 더 큰 압력 차등을 허용하는 결과가 된다.
규정된 반경 둘레의 굴곡에 대하여, 굽힘 모멘트는 다음에 같이 근사된다.
M = E * I / R
여기서,
M = 굽힘 모멘트
E = 탄성 계수
I = 관성 모멘트
R = 곡률 반경
고전적 굽힘 응력(Sb)은
Sb = M * Y / I 로 계산된다.
여기서:
Y = 굽힘의 중립축 상의 거리
산출량을 치환하면:
Sb = (E * I / R) * Y / I
Sb = E * Y / R
굴곡이 중심 중립축 근방에 있다고 가정하면:
Ymax = tb / 2
Sb = E * tb / (2 * R)
일부 실시예에 있어서, 높은 사이클 수명을 위한 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 설계는, 부과되는 굽힘 응력이 압력에 기초한 하중(후프 및 축 응력)보다 대략 한 차수 작게 유지되는 기하학적 특성에 기초한다. 방정식[Sb = E * tb / (2 * R)]에 기초하여, Rc에 정비례하여 tb를 최소화하는 것에 의해 굽힘 응력을 증가시키지 않아야 함이 명백하다. 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 재료 또는 멤브레인의 예시적인 실시예에 대한 최소 두께는 엘라스토머의 강화에 이용되는 최소 섬유 직경과 직접 관련된다. 사용되는 섬유가 작으면 작을수록, 소정의 응력 레벨에 대한 합성 Rc가 작아진다.
롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈에 부과되는 하중의 다른 한정 요소는 (피스톤 또는 실린더에 의해 지지되는 동안 크기면에서 이론적으로 축방향 하중과 동일한) 선회에서의 후프 응력이다. 하중에 대한 지배적인 방정식은 다음과 같다.
Sh = Pd * Rc / tb
따라서, Rc가 tb에 정비례하게 감소되는 경우, 이 영역에 있어서 멤브레인 상에 부과되는 응력의 증가는 발생하지 않는다. 그러나, tb보다 큰 비율로 Rc를 감소시키는 방식으로 이 비율이 감소되는 경우, 변수는 균형이 맞추어져야만 한다. 따라서, Rc에 대하여 tb를 감소시키는 것은 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈가 압력으로 인해 가중된 응력을 감당하도록 요구하지만, 굽힘으로 인한 응력 레벨을 감소시킨다. 압력에 기초한 하중은 본래 일정하므로, 이것이 유리할 수 있으며, 굽힘 하중은 주기적이기 때문에, 이는 수명을 궁극적으로 제한하는 굽힘 하중 성분이다.
굽힘 응력 감소를 위해, tb는 원칙적으로 최소여야 하고, Rc는 원칙적으로 최대여야 한다. 또한 E는 원칙적으로 최소여야 한다. 후프 응력 감소를 위해, Rc는 원칙적으로 작고, tb는 원칙적으로 커야 한다.
따라서, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 멤브레인 재료의 임계 변수는 다음과 같다.
E, 멤브레인 재료의 탄성 계수;
tb, 멤브레인 두께(및/또는 섬유 직경);
Sut, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈의 최종 인장 강도;
Slcf, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈의 한계 피로 강도.
따라서, E, tb 및 Sut로부터, 최소 허용 Rc를 계산할 수 있다. 다음, Rc, Slcf 및 tb를 사용하여, 최대 Pd를 계산할 수 있다. Rc는 정상 상태 압력 응력과 주기적인 굽힘 응력 사이의 하중(응력) 성분의 바이어스를 바꾸도록 조정될 수 있다. 따라서 이상적인 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 재료는 극히 얇고, 극히 인장에 강하며, 휘어짐에 있어 매우 유연하다.
따라서, 일부 실시예에 있어서, 롤링 다이아프램 및/또는 벨로우즈 재료(간혹 "멤브레인"으로 언급됨)는 탄소 섬유 나노 튜브로 제조된다. 그러나, 꼬인 나노 튜브 섬유, 나노 튜브 무연사 섬유, 또는 KEVLAR, 글라스, 폴리에스테르, 합성 섬유 및 상세하게 상술한 바와 같은 바람직한 직경 및/또는 다른 바람직한 변수를 갖는 임의의 다른 재료 또는 섬유를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 다른 종래의 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는 추가의 작은 섬유 재료가 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
피스톤 밀봉 및 피스톤 로드 밀봉
이제 도 513g를 참조하면, 장치의 일 실시예에 대해 도시하는데, 여기서 스털링 사이클 엔진과 같은 엔진(51326)은 적어도 하나의 피스톤 로드 밀봉부(51314), 피스톤 밀봉부(51324) 및 피스톤 안내링(51322)(도 516에서 51616로 도시함)을 포함한다. 피스톤 밀봉부(51324) 및 피스톤 안내링(51322)의 다양한 실시예에 대하여 이하에서와, 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며 랑겐펠트 등에 의해 2003년 2월 6일자로 공개된 미국 특허출원 공개 제 US 2003/0024387 Al호(현재 포기)에서 더욱 상세하게 기술한다.
도 516는 실린더(51604) 또는 실린더의 중심축(51602)을 따라 구동되는 피스톤(51600)의 부분 단면에 대해 도시한다. (도 513g에서 51324로 도시한) 피스톤 밀봉부는 실린더(51604)의 접촉면(51608)에 대해 밀봉부를 제공하는 밀봉 링(51606)을 포함할 수도 있다. 일반적으로 접촉면(51608)은 강성의 금속(바람직하게는 58-62 RC)을 12 RMS 또는 더 매끄럽게 표면 마무리한 것이다. 접촉면(51608)은 쉽게 표면 경화(case-harden)될 수도 있는 8260 경화 강철과 같은 표면 경화된 금속일 수도 있고, 소정의 마무리를 얻도록 연삭 및/또는 연마될 수도 있다. 또한 피스톤 밀봉부는 밀봉 링(51606)에 대해 추력을 제공하기 위해 용수철을 단 백킹 링(51610)을 포함함으로써 밀봉 링(51606)의 전체 외측면 둘레의 밀봉을 확실하게 하는 충분한 접촉 압력을 제공한다. 밀봉 링(51606) 및 백킹 링(51610)은 함께 피스톤 밀봉 복합 링으로 언급될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 적어도 하나의 피스톤 밀봉부는 실린더(51604)의 저온부로부터 실린더(51604)의 고온부를 밀봉한다.
이제 도 517을 참조하면, 일부 실시예는 일부 실시예에 있어서 (도513g에서 51302로 도시한) 피스톤 로드(51604)의 접촉면(51708)에 대해 밀봉을 제공하는 밀봉 링(51706)을 포함할 수도 있는 피스톤 로드 실린더벽(51700)에 장착된 (도 513g에서 51314로 도시한) 피스톤 로드 밀봉부를 포함한다. 일부 실시예에 있어서 접촉면(51708)은 경화 금속(바람직하게는 58-62 RC)를 12 RMS 또는 더 매끄럽게 표면 마무리한 것이다. 접촉면(51708)은 쉽게 표면 경화된 58260 경화 강철과 같은 표면 경화된 금속일 수도 있고, 소정의 마무리를 얻도록 연삭 및/또는 연마될 수도 있다. 또한 피스톤 밀봉부는 밀봉 링(51706)에 대해 반경 방향의 힘 또는 후프력을 제공하기 위해 스프링을 단 백킹 링(51710)을 포함함으로써 밀봉 링(51706)의 전체 내측면 둘레의 밀봉을 확실하게 하는 충분한 접촉 후프 응력을 제공할 수도 있다. 밀봉 링(51706) 및 백킹 링(51710)은 합쳐서 피스톤 로드 밀봉 복합링으로 언급될 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 밀봉 링 및 백킹 링은 밀봉 링에 외측 압력을 가하는 지지체(backing)를 갖는 피스톤 로드 상에 위치 설정되고, 밀봉 링은 피스톤 로드 실린더벽(51702)과 접촉하게 될 수도 있다. 이러한 실시예는 이전 실시예보다 더 큰 피스톤 로드 실린더 길이를 요구한다. 이것은 접촉면(51708)이 피스톤 로드 자체에 위치한 이전 실시예보다 피스톤 로드 실린더벽(51702)의 접촉면이 더 길기 때문이다. 또 다른 실시예에 있어서, 피스톤 로드 밀봉부는 o-링, 그래파이트 간극 밀봉, 글래스 실린더의 그래파이트 피스톤, 또는 임의의 에어 포트, 또는 스프링 가압식 립 시일을 포함하지만, 이에 한정되지 않은 기술 분야에서 공지된 임의의 기능적인 시일일 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 근접 간극을 갖는 임의의 것이 사용될 수도 있고, 다른 실시예에 있어서 예를 들어 밀봉부와 같은 경계부를 갖는 임의의 것이 사용될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서는, 스프링 가압식 립 시일이 사용된다. 캘리포니아주 풋힐 란치(Foothill Ranch) 소재의 BAL 시일 엔지니어링(SEAL Engineering Inc.)에 의해 제조된 것을 포함하는 임의의 스프링 가압식 립 시일을 사용할 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 사용되는 시일은 BAL 시일 부품 번호 X558604이다.
밀봉 링(51606 및 51706)의 재료는 각각의 접촉면(51608, 51708)에 대한 밀봉 링(51606, 51706)의 마찰 계수와 그것이 발생시키는 밀봉 링(51606, 51706) 상의 마모 사이의 균형을 고려하여 선택된다. 높은 온도에서의 스털링 사이클 엔진의 작동과 같이 피스톤 윤활이 불가능한 적용예에 있어서, 엔지니어링 플라스틱 링이 이용된다. 합성물의 실시예는 윤활 및 내마모성 재료를 갖는 나일론 기질을 포함한다. 이러한 윤활재의 예로서 PTFE/실리콘, PTFE, 흑연 등을 포함한다. 내마모성성 재료의 예로서 유리 섬유 및 탄소 섬유를 포함한다. 그러한 엔지니어링 플라스틱의 예는 펜실베니아주 엑스톤 소재의 LNP 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics Inc.)에 의해 제조된다. 백킹 링(51610, 51710)은 금속인 것이 바람직하다.
밀봉 링(51606, 51706)과 밀봉 링 홈(51612, 51712) 사이의 각각의 끼워 맞춤은 간극 끼워 맞춤[대략 0.05mm(0.002")]인 것이 바람직하고, 백킹 링(51610, 51710)의 끼워 맞춤은 일부 실시예에 있어서 대략 0.13 mm(0.005") 치수의 느슨한 끼워 맞춤인 것이 바람직하다. 밀봉 링(51606, 51706)은 링(51606, 51706)을 가로지르는 압력차 방향과 피스톤(51600) 또는 피스톤 로드(51704) 운동 방향에 의존하여, 각각의 접촉면(51608, 51708) 및 밀봉 링 홈(51612, 51712)의 면(51614, 51714) 중 일면에 대해 압력 시일을 제공한다.
도 518a 및 도 518b는 백킹 링(51820)이 본래 원형 대칭인 경우에 대해서 도시하지만, 갭(51800) 때문에, 압축시 백킹 링(51802)은 파선으로 도시한 바와 같이 타원 형상으로 추정된다. 결과는 밀봉 링(도시 생략, 도 516 및 도 517에서 51606 및 51706으로 도시함)에 부과된 (화살표 51804로 도시한) 불균일한 반경의 힘 또는 후프력일 수도 있고, 따라서 접촉면(도시 생략, 도 516 및 도 517에서 51608 및 51708로 도시함)에 대한 밀봉 링의 불균일 압력이 밀봉 링의 불균일 마모를 유발하고, 일부 경우에 있어서 시일 이상을 개별적으로 유발한다.
피스톤 밀봉 백킹 링(51820)에 의해 부과되는 불균일 반경의 힘 또는 후프력의 문제에 대한 해결책으로는, 일 실시예에 따르면, 도 518c 및 도 518d에 도시한 바와 같이 갭(51800)으로부터의 원주 변위가 변화하는 단면을 갖는 백킹 링(51822)을 들 수 있다. 백킹 링(51822)의 테이퍼된 폭은 도면 부호 51806로 표시된 위치로부터 도면 부호 51808로 표시된 위치까지로 도시된다. 또한 도 518c 및 도 518d에 도시한 바와 같이 랩 조인트(51810)에는 밀봉 링(51606)의 주연 방향 폐쇄부가 제공된다. 일부 밀봉은 그 수명이 지나면 상당히 마모되기 때문에, 백킹 링(51822)은 이동 범위에 있어서 균등한 압력(도 519b에서 도면 부호 51904로 도시함)을 제공해야 한다. 도 518c및 도 518d에 도시한 테이퍼된 백킹 링(51822)은 이러한 장점을 제공한다.
도 519a 및 도 519b는 일부 실시예에 따른 피스톤 실린더에 대한 피스톤 밀봉 링의 불균일 반경 방향의 힘 또는 후프력의 문제에 대한 다른 해결책을 도시한다. 도 519a에 도시한 바와 같이, 백킹 링(51910)은 타원 형상으로 형성되므로, 실린더 내의 압축 시에 링은 파선의 백킹 링(51902)으로 도시된 타원 형상으로 추정된다. 밀봉 링과 실린더 접촉면 사이의 일정한 접촉 압력은 도 519b에 도시한 바와 같이 백킹 링(51902)의 균일한 반경 방향의 힘(51904)에 의해 제공될 수도 있다.
피스톤 로드 밀봉 백킹 링에 의해 부과된 불균일한 반경 방향의 힘 또는 후프력의 문제에 대한 해결책으로서, 일부 실시예에 따르면, 도 518e 및 도 518f에 도시한 바와 같이 갭(51812)으로부터의 주연 방향의 변위가 변화하는 단면을 갖는 백킹 링(51824)을 들 수 있다. 백킹 링(51824)의 폭의 테이퍼링은 도면 부호 51814로 표시된 위치로부터 도면 부호 51816로 표시된 위치까지로 도시된다. 또한 도 518e 및 도 518f에 도시한 바와 같이, 랩 조인트(51818)에는 밀봉 링(51706)의 주연 방향의 폐쇄부가 제공된다. 일부 밀봉부는 그 수명이 지나면 상당히 마모되기 때문에, 백킹 링(51824)은 이동 범위에 있어서 (도 520b에서 도면 부호 52004로 도시한) 균등한 압력을 제공해야 한다. 도 518e 및 도 518f 에 도시한 테이퍼된 백킹 링(51824)은 이러한 장점을 제공한다.
도 520a 및 도 520b는, 일부 실시예에 따른 피스톤 로드 접촉면에 대한 피스톤 로드 밀봉 링의 불균일한 반경 방향의 힘 또는 후프력의 문제에 대한 다른 해결책을 도시한다. 도 520a에 도시한 바와 같이 [파선 형상의 백킹 링(52000)으로 도시한] 백킹 링은 타원 형상으로 형성되므로, 실린더 내의 팽창 시에, 링은 백킹 링(52002)으로 도시한 원형상으로 추정된다. 밀봉 링(51706)과 실린더 접촉면 사이의 일정한 접촉 압력은 도 520b에 도시한 바와 같이 백킹 링(52002)의 균일한 반경 방향 추력(52004)에 의해 제공될 수도 있다.
도 516을 다시 참조하면, 실린더(51604)를 상하로 이동시킬 경우, 피스톤(51600)에 부과되는 임의의 측방향 하중을 지탱하도록, 일부 실시예에 있어서, 적어도 하나의 안내 링(51616)이 제공될 수도 있다. 또한 안내 링(51616)은 윤활재가 설치된 엔지니어링 플라스틱재로 제조되는 것이 바람직하다. 안내 링(51616)의 사시도가 도 521에 도시된다. 오버랩핑 조인트(52100)가 도시되는데, 이는 안내 링(51616)의 중심축에 대해 비스듬할 수도 있다.
윤활 유체 펌프 및 윤활 유체 통로
이제 도 522를 참조하면, 기기를 위한 엔진(52200)의 일 실시예의 대표도는 로킹 비임 드라이브(52202) 및 윤활 유체(52204)를 갖는 것으로 도시된다. 일부 실시예에 있어서, 윤활 유체는 오일이다. 윤활 유체는 유체 역학적 압력 공급 윤활 베어링과 같은 크랭크 케이스(52206) 내의 엔진 부품을 윤활하도록 사용된다. 엔진(52200)의 이동 부품을 윤활시키는 것은 엔진 부품 사이의 마찰을 추가로 감소시키고 엔진 효율성 및 엔진 수명을 더욱 향상시키는 역할을 한다. 일부 실시예에 있어서, 윤활 유체는 오일 섬프로서 알려진 엔진의 바닥부에 위치되고, 크랭크 케이스를 통해 분배될 수도 있다. 윤활 유체는 윤활 유체 펌프에 의해 엔진(52200)의 다양한 부분으로 분배되는데, 여기서 윤활 유체 펌프는 여과된 흡입구를 거쳐서 섬프로부터 윤활 유체를 수집할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 윤활 유체는 오일이고, 따라서 본원에서 윤활 유체 펌프는 오일 펌프로서 언급된다. 그러나, "오일 펌프"라는 용어는 예시적인 실시예 및 다른 실시예에 대한 설명을 위해 사용되는 것이며, 여기서 오일은 윤활 유체로서 사용되고, 본 용어는 윤활 유체 또는 윤활 유체 펌프를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
이제 도 523a 및 도 523b를 참조하면, 엔진의 일 실시예에 대해 도시하고, 여기서 윤활 유체는 기계적 오일 펌프(52208)에 의해 크랭크 케이스(52206)에 위치된 엔진(52200)의 다양한 부품으로 분배된다. 오일 펌프(52208)는 구동 기어(52210) 및 아이들 기어(52212)를 포함할 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 기계적 오일 펌프(52208)는 펌프 구동 조립체에 의해 구동될 수도 있다. 펌프 구동 조립체는 구동 기어(52210)에 결합된 구동축(52214)을 포함할 수도 있는데, 여기서 구동축(52214)은 중간 기어(52216)를 포함한다. 중간 기어(52216)는 크랭크 축 기어(52220)에 의해 구동되는 것이 바람직하며, 여기서 크랭크 축 기어(52220)는 도 524에 도시한 바와 같이 엔진(52200)의 1차 크랭크 축(52218)에 결합된다. 이러한 구성에 있어서, 크랭크 축(52218)은 구동축(52214) 상의 중간 기어(52216)를 구동시키고, 이어서 오일 펌프(52208)의 구동 기어(52210)를 구동시키는 크랭크 축 기어(52220)를 거쳐서 기계적 오일 펌프(52208)를 간접적으로 구동시킨다.
크랭크 축 기어(52220)는 도 24에 도시한 바와 같이 일부 실시예에 있어서 크랭크 축(52218)의 크랭크 핀(52222, 52224) 사이에 위치 설정될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 크랭크 축 기어(52220)는 도 525a 내지 도 525c에 도시한 바와 같이 크랭크 축(52218)의 단부에 위치될 수도 있다.
제조의 용이함을 위해, 크랭크 축(52218)은 복수의 부재로 구성될 수도 있다. 이런 실시예에 있어서, 크랭크 축 기어(52220)는 크랭크 축을 조립하는 동안 크랭크 축 부재 사이에 삽입될 수도 있다.
구동축(52214)은, 일부 실시예에 있어서, 도 523a 및 도 525a에 도시한 바와 같이 크랭크 축(52218)에 수직으로 위치 설정될 수도 있다. 그러나, 일부 실시예에 있어서, 구동축(52214)은 도 525b 및 도 525c에 도시한 바와 같이 크랭크 축(52218)에 평행하게 위치 설정될 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 크랭크 축 기어(52234) 및 중간 기어(52232)는 톱니 바퀴일 수도 있는데, 여기서 크랭크 축 기어(52234) 및 중간 기어(52232)는 도 525c 및 도 526c에 도시한 바와 같이 체인(52226)에 의해 결합된다. 이러한 실시예에 있어서, 체인(52226)은 (도 526A 내지 도 526C에 있어서 52600으로 도시한) 체인 구동 펌프를 구동시키도록 사용된다.
일부 실시예에 있어서, 크랭크 축(52218)과 구동축(52214) 사이의 기어비가 동작에 걸쳐서 일정하게 유지된다. 이러한 실시예에 있어서, 기어비에 의해서 펌프 속도 및 엔진의 속도의 균형이 맞추어지므로, 크랭크 축과 구동축 사이에 적절한 기어비를 갖는 것은 중요하다. 이것은 특정 엔진 RPM(분당 회전수) 동작 범위에 필요한 윤활제의 특정 유동을 달성한다.
일부 실시예에 있어서, 윤활 유체는 전동 펌프에 의해 엔진의 다양한 부분으로 분배된다. 전동 펌프는 다른 경우 기계적 오일 펌프에 의해 요구되는 펌프 구동 조립체에 대한 필요성을 제거한다.
도 523a 및 도 523b를 다시 참조하면, 오일 펌프(52208)는 섬프로부터 윤활 유체를 모으는 흡입구(52228)와 엔진의 다양한 부분으로 윤활 유체를 이송하는 출구(52230)를 포함할 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 구동 기어(52212) 및 아이들 기어(52210)의 회전은 섬프로부터의 윤활 유체가 흡입구(52228)를 통해 오일 펌프로 안내되도록 하고 출구(52230)를 통해 펌프를 강제로 빠져나가게 한다. 흡입구(52228)는 오일 펌프로 안내되기 이전의 윤활 유체 내에서 발견될 수도 있는 미립자를 제거하는 필터를 포함하는 것이 바람직하다. 일부 실시예에 있어서, 흡입구(52228)는 튜브, 파이프, 또는 호스를 거쳐서 섬프로 연결될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 흡입구(52228)는 섬프와 직접 유체 연결될 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 오일 펌프 출구(52230)는 다양한 엔진 부품 내의 일련의 통로에 연결되는데, 그것을 통해서 윤활 유체는 다양한 엔진 부품으로 이송된다. 출구(52230)는 통로와 직접 연통되도록 통로에 합체될 수도 있고, 또는 호스나 튜브 또는 복수의 호스나 튜브를 통해 통로에 연결될 수도 있다. 일련의 통로는 통로의 상호 연결된 네트워크인 것이 바람직하고, 이에 의해 출구(52230)는 단일 통로의 흡입구에 연결될 수도 있고, 윤활 유체를 엔진의 윤활된 부품에 이송할 수 있다.
도 527a 내지 도 527d는 일 실시예를 도시하는데, 여기서 (도 523b에서 52230으로 도시한) 오일 펌프 출구가 로킹 비임 드라이브(52704)의 로커 축(52702) 내의 통로(52700)에 연결된다. 로커 축 통로(52700)는 윤활 유체를 로커 피봇 베어링(52706)에 이송하고, 로킹 비임 통로(도시 생략)에 연결되어 윤활 유체를 로킹 비임 통로로 이송한다. 로킹 비임 통로는 윤활 유체를 커넥팅 손목부(wrist) 핀 베어링(52708), 링크 로드 베어링(52710) 및 링크 로드 통로(52712)로 이송한다. 링크 로드 통로(52712)는 윤활 유체를 피스톤 로드 결합 베어링(52714)으로 이송한다. 연결 로드(52720)의 연결 로드 통로(도시 생략)는 윤활 유체를 크랭크 축(52726)의 크랭크 축 통로(52724) 및 제1 크랭크 핀(52722)으로 이송한다. 크랭크 축 통로(52724)는 윤활 유체를 크랭크 축 저널 베어링(52728), 제2 크랭크 핀 베어링(52730) 및 스플라인축 통로(52732)로 이송한다. 스플라인축 통로(52732)는 윤활 유체를 스플라인축 스플라인 조인트(52734, 5273)로 이송한다. 일부 실시예에 있어서의 오일 펌프 출구(도시 생략, 도 523b에서 52230로 도시됨)는 주 공급부(52740)에 연결된다. 또한, 일부 실시예에 있어서, 오일 펌프 출구는 커플링 조인트 리니어 베어링(52738)에 연결되어 윤활 유체를 커플링 조인트 리니어 베어링(52738)에 제공한다. 일부 실시예에 있어서, 오일 펌프 출구는 튜브나 호스 또는 복수의 튜브나 호스를 거쳐서 리니어 베어링(52738)에 연결될 수도 있다. 다르게는, 링크 로드 통로(52712)는 윤활 유체를 리니어 베어링(52738)으로 이송한다.
따라서, 주 공급부(52740)는 윤활 유체를 저널 베어링면(52728)으로 이송한다. 저널 베어링면(52728)으로부터, 윤활 유체가 크랭크 축 메인 통로로 이송된다. 크랭크 축 메인 통로는 윤활 유체를 크랭크 핀(52724) 상의 연결 로드 베어링 및 스플라인축 통로(52732) 모두로 이송한다.
윤활 유체는 바람직하게는 전술한 베어링에서 빠져 나와 섬프 내부로 유동함으로써, 섬프로 다시 이송된다. 섬프에 있어서, 윤활 유체는 오일 펌프에 의해 수집되고 엔진 전체에 걸쳐서 재분배된다.
분배
상술한 바와 같이, 시스템, 방법 및 장치의 다양한 실시예는 초기 수질에 상관없이 모든 환경에서 사용 가능한 음료수의 신뢰 가능한 공급원을 제공할 수 있는 저비용, 용이한 유지 관리, 고효율, 휴대형 및 안전한(failsafe) 시스템을 유리하게 제공할 수 있다. 시스템은 예를 들어 휴대용 전원 및 적당한 전력 예산을 사용하여 개인적인 또는 한정된 지역 사회에 대한 음용 또는 의학적 적용을 위한 음료수의 연속적인 흐름을 생성하는 것이 의도된다. 일 예로서, 일부 실시예에 있어서, 수증기 증류 장치는 대략 500 와트의 전력 예산하에 시간당 적어도 대략 0.04 ㎥(대략 10 갤론)의 물을 생성하도록 이용될 수도 있다. 이것은 매우 효율적인 열 전달 공정 및 보조 시스템의 설계 최적화를 통해 성취된다.
수증기 증류 장치의 다양한 실시예는, 본원에서 기술한 발전기에 의해 또는 배터리나 전원에 의해 전력이 공급될 수도 있다. 배터리는 독립 배터리일 수도 있고 또는 스쿠터나 하이브리드 자동차 또는 배터리 공급 자동차일 수도 있는 임의의 다른 자동차와 같은 모터 수송 장치에 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 시스템은 개발 도상국에서 또는 외딴 마을이나 외딴 거주 구역에서 사용될 수도 있다. 본 시스템은 다음의 것 중 하나 이상, 예를 들어(한정되지 않음) 언제나 안전하지 않은 종류의 물, 물 설치에 대해 기술적 전문 지식이 없는 것, 대체 공급수로의 신뢰할 수 없는 접근, 유지 관리에 대한 제한된 접근 및 어려운 조작 환경과 함께 사용과 같은 경우에 본질적으로 장점을 가진다.
시스템은 임의의 입력원을 정화시키고 입력원을 고품질의 출력물, 즉 정수로 변환하는 역할을 한다. 일부 적용예에 있어서, 수증기 증류 장치는 원수를 제공하기 위해 지방 자치 인프라 구조를 갖지 않는 지역 사회 내에 있을 수도 있다. 따라서, 이런 상황에 있어서 수증기 증류 장치의 실시예는 다양한 순도를 가지는 원수를 수용할 수도 있다.
또한 시스템은 설치 및 작동이 용이하다. 수증기 증류 장치는 자율 시스템이 되도록 설계된다. 본 장치는 조작자에 의해 관찰되지 않고 독립적으로 동작할 수도 있다. 이것은, 수증기 증류 장치가 설치 및/또는 이용될 수도 있는 많은 장소에 있어서 정비사가 드물거나 신뢰할 수 없기 때문에 중요하다.
시스템은 최소의 유지 보수 요건을 갖는다. 예시적인 실시예에 있어서, 시스템은 임의의 소비재 및/또는 일회용품이 필요하지 않고, 따라서 시스템 자체가 임의의 요소 또는 부품의 대체 없이 일정 기간 이용될 수 있다. 이것은 많은 적용예에 있어서 수증기 증류 장치가 수증기 증류 장치와 같은 기계적 장치를 유지하는 기계적 전문 지식을 가진 사람이 부족한 지역 사회에 위치될 수 있기 때문에 중요하다. 또한 시스템은 저렴하여, 그것이 임의의 지역 사회를 위한 선택 사항이 되게 한다.
또한, 수증기 증류 장치는 깨끗한 식수가 쉽게 또는 충분히 이용 가능하지 않은 임의의 지역 사회에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 장치를 공급하기 위해서 수증기 증류 장치 및 물 공급 시스템을 조작하도록 전기를 제공해야 하는 설비를 갖는 지역사회를 들 수 있다.
따라서, 수증기 증류 장치는 전기 공급을 위한 설비 시설망을 갖지만 깨끗한 식수가 없는 지역 사회에서 사용될 수도 있다. 반대로, 지역 사회는 안전하지 않는 자치 물 공급을 가지지만, 설비 시설망이 없을 수도 있다. 이러한 적용예에 있어서, 수증기 증류 장치는 스털링 엔진, 내연 기관 엔진, 발전기, 배터리 또는 솔라 패널을 포함하지만 이에 한정되지 않은 장치를 이용하여 전력이 공급될 수도 있다. 원수는 대양뿐만 아니라 지역 내 개울, 강, 호수, 연못 또는 우물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
인프라 기반을 갖지 않는 지역 사회에 있어서는 원수를 발견하고 수증기 증류 장치를 작동하도록 전력을 공급해야하는 도전 과제가 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 수증기 증류 장치는 여러 종류의 장치를 이용하여 전력이 공급될 수도 있다.
이런 형태의 상황에서는, 수증기 증류 장치를 설치할 만한 장소가 병원이나 보건소일 수도 있다. 일반적으로 이런 장소들은 어떤 형태의 전원을 가지고 있고, 지역 사회의 가장 많은 구성원들에게 접근 가능하다.
다시, 본원에서 기술한 바와 같이, 전원은 스털링 엔진을 포함할 수도 있다. 이런 형태의 엔진은 기기의 사이즈에 크게 영향을 주지 않고 기기를 작동시키는데 충분한 전력을 제공할 수 있기 때문에 용수 장치의 적용에 적합하다.
수증기 증류 장치는 하루에 대략 50 내지 250명의 사람들에게 물을 공급할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 출력은 시간 당 0.03㎥(30리터)이다. 이런 생산 속도는 작은 마을 또는 지역 사회의 요구에 부합된다. 에너지는 대략 900 와트가 필요하다. 따라서, 에너지 요구치는 수증기 증류 장치에 동력을 공급하기 위한 최소이다. 이러한 낮은 동력 요구치는 작은/외딴 마을 또는 지역 사회에 적합하다. 또한, 일부 실시예에 있어서, 표준 출력이 전원으로서 적합하다. 수증기 증류 장치의 무게는 대략 90 Kg이고, 예시적인 실시예에 있어서, 그 크기(H x D x W)는 160 cm x 50 cm x 50 cm 이다.
온도, TDS 및 유동 속도를 조작할 수 있는 지식은 다양한 범위의 원수의 용존 고형물 함량, 압력 및 주위 온도 하에서 음료수의 생산을 가능하게 하는 정보를 제공한다. 일 특정 실시예는 조작자 또는 컴퓨터 제어기가 현재의 주변 조건 하에서 최적의 성능을 위한 동작 변수를 설정하도록 하는 단순한 알고리즘 및 룩업 테이블과 결합하여 이러한 측정치(T, P, TDS, 유동 속도 등)가 사용되는 제어 방법을 이용할 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 장치는 물을 분배하는 시스템의 일부로서 통합될 수도 있다. 이러한 시스템 내에서 관찰 시스템이 포함될 수도 있다. 이러한 관찰 시스템은 발생(generation) 장치로의 하나 이상의 입력 특성을 측정하는 입력 센서 및 발생 장치로부터의 소비나 다른 특성을 측정하는 출력 센서를 구비하는 것을 포함할 수도 있지만 이에 한정되지 않는다. 관찰 시스템은 입력 및 출력 센서에 기초하여, 측정된 입력 및 출력 소비와 연관되어 있는 제어기를 구비할 수도 있다.
네트워크의 특정 유틸리티의 발생 장치가 수증기 증류 장치인 곳에서는, 입력 센서가 유속 모니터일 수도 있다. 또한, 출력 센서는 마비 상태, 전도도 및 온도 센서 중 하나 이상을 포함하는 수질 센서일 수도 있다.
또한 관찰 시스템은 직접적으로나 위성과 같은 중간 장치를 거쳐서 측정된 입력 및 출력 변수를 먼 곳까지 연통하는 원격 측정 모듈을 가질 수도 있고, 또한 시스템은 원격으로 수신한 지시에 기초하여 발전기의 작동 변수를 변경하는 리모트 액추에이터를 포함할 수도 있다. 또한 관찰 시스템은 관찰 시스템의 위치를 표시하는 출력을 갖는 GPS 수신기와 같은 자체 위치 추적 장치를 가질 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 측정된 입력 및 출력 특성은 관찰 시스템의 위치에 의존할 수도 있다.
상술한 관찰 시스템은 정수 공급원을 제공하는 유틸리티의 분산형 네트워크 내에 포함될 수도 있다. 분산형 네트워크는 각각의 발전기로의 입력을 측정하는 입력 센서, 각각의 발전기로부터의 출력 소비를 측정하는 출력 센서 및 특정 발전기의 입력 및 출력 변수를 송신하는 원격 측정 송신기를 사용하여 물을 발생시키는 장치를 구비한다. 마지막으로, 분산형 네트워크는 복수의 유틸리티 발전기로부터 입력 및 출력 변수를 수신하는 원격 처리 장치를 가질 수도 있다.
이제 도 42를 참조하면, 발생 장치(4202)를 관찰하는 것에 대해 도시한다. 발생 장치(4202)는 본원에서 기술한 바와 같이 수증기 증류 장치일 수도 있다. 발생 장치(4202)는 일반적으로 그 현재 작동 상태 및 조건을 기술하는 설정 변수에 의해 특징 지워질 수도 있다. 그러한 변수는, 제한 없이, 온도, 입력이나 출력 선속 등을 포함할 수도 있고, 이하에서 상세하게 기술한 바와 같이 센서에 의해 관찰되는 대상이 될 수도 있다.
도 42를 계속 참조하면, 원수는 흡입구(4204)에서 발생 장치(4202)로 유입하고 출구(4206)에서 발전기를 빠져나온다. 발생 장치(4202)로 유입하는 원수(4208)의 양 및 발생 장치(4202)를 빠져나오는 정화수(4210)의 양은 흡입구 센서 모듈(4212) 및/또는 출구 센서 모듈(4214)에 위치되는 온도 및 압력을 판단하는 센서와 같이 유속을 판단하기 위해 일반적으로 사용되는 다양한 센서 중 하나 이상의 센서 또는 원격 측정 장치의 사용을 통해, 사건 마다 또는 누적된 자료에 대해서 관찰될 수도 있다. 또한, 발생 장치(4202)의 적절한 기능은 출구 센서 모듈(4214) 및/또는 흡입구 센서 모듈(4212)에서의 혼탁도, 전도도 및/또는 온도를 측정하는 것에 의해 판단될 수도 있다. 사건 마다 또는 누적의, 시스템 사용 시간 또는 전력 소비와 같은 다른 변수가 판단될 수도 있다. 센서가 사전에 프로그래밍된 범위 밖의 값을 검출할 경우에 트리거될 수도 있는 알람 또는 셧 오프 스위치에 센서를 결합시킬 수도 있다.
시스템 위치의 직접 입력이나 GPS 위치 검출기의 사용에 의해 시스템의 위치가 알려져 있는 경우, 항체칩 검출기 또는 세포 기초 검출기와 같은 다양한 검출기를 이용하여, 공지된 지역 물 오염 물질에 대한 체크를 포함하는, 위치에 기초한 추가의 수질 테스트가 행해질 수도 있다. 수질 센서는 물 안의 오염 물질의 양을 검출할 수도 있다. 센서는 수질 값이 사전에 프로그래밍된 수질값보다 높게 올라가는 경우 경고음을 발생하도록 프로그래밍될 수도 있다. 수질값은 물 안의 오염 물질에 대한 측정값이다. 다르게는, 수질 값이 사전에 프로그래밍된 수질 값 정도로 상승한 경우 셧오프 스위치가 발생 장치를 턴오프시킬 수도 있다.
또한, 발생 장치(4202) 내의 스케일 축적은 필요한 경우, 시스템의 열전달 특성을 관찰하거나 유동 임피던스를 측정하는 것을 포함하는 다양한 방법에 의해 판단될 수도 있다. 다른 종류의 다양한 센서가 다양한 시스템 변수를 관찰하기 위해 사용될 수도 있다.
계속 도 42를 참조하면, 상술한 센서는 발생 장치(4202)에 대해 상술한 다양한 변수를 관찰 및/또는 기록하기 위해 사용될 수도 있고, 또한 대체 실시예에 있어서 발생 장치(4202)는 무선 통신 시스템과 같은 통신 시스템(4214)을 구비할 수도 있다. 통신 시스템(4214)은 발생 장치(4202)와 감시국(4216) 사이의 통신만을 위해 사용되는 내부 시스템일 수 있다. 다르게는, 통신 시스템(4214)은 무선 위성 시스템(4218)을 통해 일반적인 통신을 위한 휴대 전화를 포함하는 무선 통신 시스템일 수 있다. 또한 통신 시스템(4214)은 블루투스의 개방형 표준과 같은 무선 기술을 채용할 수도 있다. 통신 시스템(4214)은 GPS(전 지구 위치 확인 시스템) 위치 탐지기를 추가적으로 포함할 수도 있다.
도 42를 계속 참조하면, 통신 시스템(4214)은 감시국(4216)과의 통신이 가능하게 됨으로써 발생 장치(4202)를 위한 다양한 개선을 가능하게 한다. 예를 들어, 감시국(4216)은 발생 장치(4202)의 위치를 관찰하여 의도된 사용자에 의한 의도된 위치에서의 사용을 보장할 수도 있다. 또한, 감시국(4216)은 생산된 전기 및/또는 물의 양을 관찰하여, 사용 금액을 계산할 수도 있다. 또한, 임의의 기간 동안 생산된 전기 및/또는 물의 양이나 임의의 기간 동안의 누적 사용 시간의 판단은 예방 정비 스케쥴의 산출을 가능하게 한다. 정비 요청이 필요하다고 판단되는 경우, 수질을 판단하기 위해 사용되는 임의의 센서의 출력 또는 사용량의 계산 중 어느 하나에 의해서, 감시국(4216)은 정비 보수 방문 계획을 짤 수도 있다. GPS(전 지구 위치 확인 시스템) 위치 탐지기가 쓰이고 있는 경우, 감시국(4216)은 정비 보수 방문을 더욱 용이하게 하도록 발생 장치(4202)의 정확한 위치를 판단할 수도 있다. 또한 감시국(4216)은 수질 테스트 또는 다른 테스트가 발생 장치(4202)의 현재 위치에서 가장 적절한지를 판단할 수도 있다. 또한 통신 시스템(4214)은 사용 전 장치를 예열하거나 절도의 경우와 같이 사전 경고 없이 시스템이 재위치된 경우 시스템을 비활성시키도록 발생 장치(4202)를 턴온 또는 턴오프시키기 위해 사용될 수도 있다.
이제 도 43을 참조하면, 상술한 관찰 및 통신 시스템의 사용은 다양한 유틸리티 분산형 시스템의 사용을 용이하게 한다. 정부 기관, 비정부 기관(NGO)이나 개인 출자 구호 기관, 회사나 이들의 조합과 같은 기관(43)은 전체 국가와 같은 지리상 또는 정치상 구역에 안전한 음료수 또는 전기와 같은 분산형 유틸리티를 제공할 수 있다. 그리고 기관(43)은 대리점(44A, 44B, 44C)을 설립할 수도 있다. 이러한 대리점은 전술한 감시국(4216)인 것이 바람직할 수도 있다(도 42 참조). 하나의 가능한 배치에 있어서, 기관(43)은 일정 수의 발생 장치(4202)(도 42 참조)를 대리점(44) 등에 제공할 수 있다. 또 다른 가능한 배치에 있어서, 기관(43)은 발전기(4302)(도 42 참조)의 분배에 대한 판매, 대여 또는 다른 재정 마련을 할 수 있다. 대리점(44) 등은 발생 장치를 조작자(45) 등에게 주거나, 발생 장치(4202)(도 42 참조)를 판매 또는 소액 융자와 같은 형태의 재무 조정을 통해서 조작자에게 제공할 수 있다.
도 43을 계속 참조하면, 조작자(45)는 물 입수 지점 또는 그 근처의 마을 센터, 학교, 병원 또는 다른 그룹에 분산형 유틸리티를 제공할 수 있다. 일 예시적인 실시예에 있어서, 발생 장치(4202)(도 42 참조)가 소액 융자에 의해 조작자(45)에게 제공될 경우, 조작자(45)는 전기의 경우에는 시간당, 정수의 경우에는 리터당으로 기본 단위에 대해 실수요자에게 요금을 부여할 수 있다. 대리점(44) 또는 기관(43)은 상술한 통신 시스템 중 하나를 이용하여 사용량 및 다른 변수들을 관찰할 수도 있다. 대리점(44)이나 기관(43)은 발전기(45)의 가격의 일부를 보상받거나 50%와 같은 단위 요금 당의 일부에 대해 조작자(4312)에게 요금을 청구함으로써 소액 융자를 상환한다. 또한 기술한 통신 시스템은 발생 장치가 미리 정해 놓은 영역 밖에 재위치되거나 지불이 적시에 이루어지지 않을 경우 발생 장치(4202)(도 42참조)를 비활성시키도록 사용될 수도 있다. 이런 형태의 분배 시스템은, 예를 들어 다른 지역에서 유사한 시스템을 개발하도록 사용될 수 있는 자금의 적어도 일부분의 상환을 허용하여, 상당한 영역에 걸쳐서 필요한 유틸리티의 분배를 신속하게 할 수 있게 한다.
이제 도 44를 참조하면, 수증기 증류 장치의 대체 실시예를 시스템에 통합할 수 있는 가능한 일 방법의 개념 설계도에 대해 도시한다. 이런 형태의 실시예에 있어서, 유체는 시스템을 통해서 흡입구(4404)로부터 교환기(4406)로 유동하는데, 여기서 교환기(4406)는 응축기(4402), 헤드(4408)를 포함하는 복수의 소스 중 하나 이상으로부터 열을 수용하고 내연이나 외연 기관과 같은 전원으로부터의 배기(도시 생략)를 수용한다. 유체는 열교환기(4406)를 지나 섬프(4410)로, 이어서 응축기(4402)와 열접촉하고 있는 코어(4412)로 연속해서 유동한다. 코어(4412)에 있어서, 유체는 부분적으로 기화된다. 코어(4412)로부터, 증기 경로는 압축기(4414)와 연통하는 헤드(4408)로 진행하고, 그곳으로부터 응축기(4402)로 진행한다. 증기가 응축된 후, 유체는 응축기(4402)로부터 열교환기(4406)를 통해, 배기 영역(4416)으로 진행하고, 최종 증류 생성수로서 배출된다.
도 44 및 도 44a를 참조하면, 전원(4418)은 전체 시스템에 전력을 공급하도록 사용될 수도 있다. 전원(4418)은, 특히 압축기(4414)가 액체 링 펌프 또는 재생 송풍기와 같은 증기 펌프인 경우에 압축기(4414)를 구동하기 위해 사용되는 모터(도시 생략)에 결합될 수도 있다. 또한 전원(4418)은 전기 에너지를 도 44에 도시한 장치의 다른 요소에 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 전원(4418)은, 예를 들어 콘센트(electrical outlet), 표준 내연(IC) 발전기 또는 외연 발전기일 수도 있다. 일 예시적인 실시예에 있어서, 전원은 스털링 사이클 엔진이다. IC 발전기 및 외연 발전기는 도 44a에 도시한 바와 같이 전력 및 열 에너지 모두를 생성하는데, 여기서 엔진(4420)은 기계적 및 열적 에너지 모두를 생성한다. 엔진(4420)은 내연 기관 또는 외연 기관 중 하나일 수도 있다. 영구 자석형 브러쉬리스 모터와 같은 발전기(4422)는 엔진(4420)의 크랭크 축에 결합되어, 엔진(4420)에 의해 생성되는 기계적 에너지를 전력(4424)과 같은 전기 에너지로 전환한다. 또한 엔진(4420)은 배출 가스(4426) 및 열(4428)을 생성한다. 배출 가스(4426) 및 열(4428)의 형태로 엔진(4420)에 의해 생성되는 열 에너지는 열을 시스템에 제공하도록 유익하게 사용될 수도 있다.
도 44를 참조하면, 외부 하우징과 개별 장치 부품 사이에 놓이고 장치를 둘러싸는 단열 공동(cavity)으로 배기를 채널링함으로써 전원(4418)으로부터의 열을 재포획할 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 배기는 증발기/응축기(4402)로 유입하기 이전에 원료 유체를 가열하는 핀부착 열교환기를 거쳐서 배출될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 원료 유체는 예시적인 실시예를 참조하여 상술한 바와 같은 이중관 열교환기를 지나서 유동한다.
이제 도 528a를 참조하여, 시스템의 일 실시예에 대해 도시한다. 시스템은 지역의 물 정화를 목적으로 본원에서 기술한 바와 같이 결합되어 별도의 조작을 할 수도 있고, 또는 단일의 일체형 유닛 내에 결합될 수도 있는 2개의 기본적인 기능 구성 성분을 포함한다. 도 528a는 동력 장치(528010)가 케이블(528014)을 거쳐서 전기적으로 결합되어 전력을 수증기 증류 장치(528012)에 공급하고, 동력 장치(528010)로부터의 배기 가스는 배기 덕트(528016)를 거쳐서 수증기 증류 장치(528012)에 열을 이송하도록 결합되는 시스템에 대해 도시한다.
예시적인 실시예에 있어서, 동력 장치(528010)는 스털링 사이클 엔진이다. 스털링 사이클 엔진은 본원에서 기술한 임의의 실시예일 수도 있다. 열 사이클 엔진은 열역학 제2법칙에 의해 분별 효율, 즉 (TH-TC)/TH인 카르노(Carnot) 효율로 제한되는데, 여기서 TH 및 TC는 각각 입수 가능한 열원의 온도 및 주변의 열적 백그라운드이다. 열 엔진 사이클의 압축 위상 동안, 열은 불완전 가역 방식으로 시스템으로부터 배기되므로, 항상 과잉의 배기 열이 존재한다. 또한, 더욱 상세하게는, 열 엔진 사이클의 팽창 위상 동안 제공되는 모든 열이 작동 유체와 결합되는 것은 아니다. 여기서, 발생된 배기 열은 다른 목적을 위해 유익하게 사용될 수도 있다. 버너 배기에서 열역학적으로 입수 가능한(즉, 주위의 환경보다 고온의 가스에 있어서의) 총 열은 일반적으로 총입력 전력의 10%대이다. 1 킬로 와트 대의 전력 단위로 운반하는 동력 장치에 대하여, 700 W 정도의 열은 200°C 부근의 온도의 가스의 배기 흐름 내에서 입수 가능할 수도 있다. 본 장치, 시스템 및 방법의 실시예에 따르면, 엔진 전력 공급용 발전기에 의해 발생되는 전력뿐만 아니라 배기 열이 식용수의 정화에 사용되므로, 원수 및 연료만이 제공될 필요가 있는 통합 시스템을 유리하게 제공한다.
또한, 스털링 사이클 엔진과 같은 외연 기관은, 이들 방법이 연소를 제공하기 위한 버너를 통한 산소(일반적으로, 공기이며, 본원 및 첨부된 청구범위에 있어서 "공기"로 언급됨)의 효율적 펌핑 및 히터 헤드를 빠져나가는 고온 배기의 회수 방법으로서 채용되는 경우, 높은 열 효율 및 낮은 오염 물질의 방출을 제공할 수 있다. 많은 적용예에 있어서, 공기는 연소 전에 거의 히터 헤드의 온도까지 예열되어, 언급된 목표의 열효율을 성취한다. 그러나, 높은 열효율의 달성에 바람직한 고온의 예열된 공기는, 화염 온도를 제한하기 위해 많은 양의 추가의 공기가 요구되게 하고, 연료 및 공기를 사전 혼합시키기 어렵게 함으로써, 저 배출 목표를 성취하기 어렵다. 열기관의 효율 및 저배출 작동을 위해 이러한 문제점을 극복하기 위해 지향되는 기술에 대해서는, 예를 들어 본원에서 참고 문헌으로 전체적으로 인용되었으며 2000년 5월 16일자로 허여된 미국 특허 제6,062,023호[커윈(Kerwin) 등]에서 기술한다.
외연 기관은 게다가 특정한 국소 환경하에서 가장 입수 가능하다는 것을 포함하는 다양한 연료의 사용에 이바지한다. 그러나, 본 명세서의 기술은 그러한 엔진으로 한정되지 않고, 내연 기관 역시 현재의 개시의 범위 내에 있다. 그러나, 내연 기관은 배출된 가스의 일반적 오염 특성 때문에 어려움이 부과되기 때문에, 외연 기관이 채용되는 것이 바람직하다.
계속 도 528a를 참조하여, 동력 장치(528010)의 일 실시예에 대해 도 528b에 개략적으로 도시한다. 동력 장치(528010)는 발전기(528102)에 결합된 외연 기관(528101)을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 외연 기관(528101)은 스털링 사이클 엔진이다. 작동 중 스털링 사이클 엔진(528101)의 출력은 기계 에너지 및 잔류 열에너지를 모두 포함한다. 버너(528104)의 연료의 연소시 생성되는 열은 스털링 사이클 엔진(528101)으로의 입력으로서 적용되고, 부분적으로는 기계 에너지로 전환된다. 전환되지 않은 열 또는 열에너지는 버너(528104)에서 방출된 에너지의 대략 65 내지 85%로 간주된다. 본원에서 주어진 범위는 근사값이고, 범위는 시스템에 사용되는 수증기 증류 장치의 실시예 및 시스템에 사용되는 스털링 엔진(또는 다른 발전기)의 실시예에 의존하여 변동될 수 있다.
열은 두 가지 형태, 즉 버너(528104)로부터의 배기 가스의 보다 작은 유동 및 스털링 엔진의 냉각기(528103)에서 배출되는 보다 큰 열 유동 형태로, 동력 장치(528010) 주위의 국소 환경에 가열을 공급하도록 이용 가능하다. 또한 동력 장치(528010)는 보조 동력 장치(APU)로서 언급될 수도 있다. 배기 가스는 일반적으로 100 내지 300℃로 상대적으로 고온이고, 스털링 엔진(528101)에 의해 생성된 열 에너지의 10 내지 20%에 상당한다. 냉각기는 실온보다 10 내지 20℃ 높은 온도에서 열 에너지의 80 내지 90%를 버린다. 열은 방열기(528107)를 거쳐서 물의 유동 또는 더 일반적인 공기 중 어느 하나에 대해서는 거절된다. 스털링 사이클 엔진(528101)은 동력 장치(528010)가 이송 가능한 사이즈인 것이 바람직하다.
도 528b에 도시한 바와 같이, 스털링 엔진(528101)은 버너(528104)와 같은 열원에 의해 직접적으로 동력이 공급된다. 버너(528104)는 연료를 연소하여, 스털링 엔진(528101)을 구동하기 위해 사용되는 고온 배기 가스를 생성한다. 버너 제어 장치(528109)는 버너(528104) 및 연료 용기(528110)에 결합된다. 버너 제어 장치(528109)는 연료 용기(528110)로부터의 연료를 버너(528104)로 이송한다. 또한 버너 제어 장치(528109)는 측정치의 공기를 버너(528104)로 운반하여 실질적으로 완전한 연소가 이루어지도록 한다. 버너(528104)에 의해 연소되는 연료는 프로판과 같은 상용으로 입수할 수 있고 청정 연료인 것이 바람직하다. 청정 연료는 오염 물질을 다량으로 함유하지 않은 연료이고, 가장 중요한 것은 황이다. 오염 물질이 몇 퍼센트로 제한되는 한, 천연 가스, 에탄, 프로판, 부탄, 에탄올, 메탄올 및 액화 석유 가스("LPG")는 모두 청정 연료이다. 상용으로 입수 가능한 프로판 연료의 일 실시예로서, 벤조마틱으로부터 입수 가능하며, 자동차 공학회(SAE)에 의해 정의된 산업 등급인 HD-5를 들 수 있다. 시스템의 실시에에 따르면, 이하에서 더욱 상세하게 기술한 바와 같이, 스털링 엔진(528101) 및 버너(528104)는 낮은 배출뿐만 아니라 높은 열효율을 제공하기 위해서 실질적으로 완전 연소를 제공한다. 고효율 및 저배출의 특성은 실내에서 동력 장치(528010)의 사용을 유리하게 허용할 수도 있다.
발전기(528102)는 스털링 엔진(528101)의 크랭크 축(도시 생략)에 결합된다. 기술 분야의 숙련자에게 있어 발전기라는 용어는 기계 에너지가 전기 에너지로 변환되는 발전기 또는 전기 에너지가 기계 에너지로 변환되는 모터와 같은 전기 기기 군을 포함하는 것으로 이해되어야만 한다. 발전기(528102)는 영구 자석형 브러쉬리스 모터인 것이 바람직하다. 충전 가능한 배터리(528113)는 DC 전원 출력 장치(528112)로의 직류("DC") 전력뿐만 아니라 동력 장치(528010)를 위한 시동 전력을 제공한다. 또한, 다른 실시예에 있어서, APU(528010)는 교류("AC") 전력을 AC 전력 출력부(528114)로 유리하게 제공한다. 인버터(528116)가 배터리(528113)에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위하여 배터리(528113)에 결합된다. 도 528b에 도시한 실시예에 있어서, 배터리(528113), 인버터(528116) 및 AC 전력 출력부(528114)가 수납부(528120) 내에 배치된다.
이제, 동력 장치(528010)의 작동 시에 발생되는 배기 가스의 이용에 대해 도 528c에 도시한 시스템의 일 실시예의 개략도를 참조하여 설명한다. 버너 배기는 열 도관(528016)을 통해 일반적으로 도면 부호 528012로 부기된 수증기 증류 장치 유닛의 수납부(528504) 내부로 향하게 된다. 열 도관(528016)은 절연부에 의해 둘러싸인 플라스틱 또는 주름진 금속일 수도 있는 호스인 것이 바람직하지만, 동력 장치(528010)로부터의 배기열을 수질 정화 장치(528012)로 이송하는 모든 수단이 시스템의 범주 내에 있다. 화살표(528502)에 의해 부기된 배기 가스는 열교환기(528506)(예시적인 실시예에 있어서는 이중 호스 열교환기가 사용되며, 다른 실시예에 있어서는 핀부착 열교환기가 사용됨)를 가로질러 배기됨으로써, (본원에서 "증류기"로도 언급되는) 수증기 증류 증발기(528510)로 이동함에 따라 원수 흐름(528508)을 가열하게 된다. 절연 수납부(528504)에 의해 둘러싸인 체적을 채우는 고온 가스(528512)는 절연된 공극 내의 가스 온도가 증류기 자체의 표면(528514) 온도보다 높기 때문에, 증류기 시스템으로부터의 모든 열손실을 본질적으로 제거한다. 따라서, 증류기로부터 주위 환경으로의 열 유동이 실질적으로 존재하지 않고, 이에 따라 10 gallon/hour 능력의 증류기에 대해 75W 정도의 손실이 회수될 수 있다. 마이크로 스위치(528518)는 고온 배기를 정화 장치(528012)에 결합하는 호스(528016)의 연결을 감지하여, 장치의 작동이 고온 가스의 유입으로 설명될 수도 있다.
열을 배기 흐름(528502)에 부가하는 대체 실시예에 따르면, 포스트 버너(도시 생략)의 부가 또는 통전 가열을 위한 전력을 사용 여부는 본 시스템의 범주 내에 있다.
시스템의 초기 시동 동안, 전력 및 고온 배기 모두를 제공하여, 동력 장치(528010)를 활성화시킨다. 배기가 주요 연소 생성물로서 물을 포함하기 때문에, 초기에 열교환기(528506)가 배기의 수분 함량의 이슬점 이하에 있을 때 증류기(528012)의 예열은 상당히 가속된다. 열교환기의 핀에 물이 응축하기 때문에 수분 함유량의 기화열이 원수를 가열하도록 이용 가능하다. 기화열은 증류기 공극 내의 고온 가스의 대류에 의해 열교환기의 가열을 보충한다. 예를 들어, 핀부착 열 가열기의 실시예에 있어서, 대류에 의한 핀의 가열은 핀이 배기의 이슬점에 도달한 이후에도 지속된다.
시스템의 다른 실시예에 따르면. 동력 장치(528010) 및 증류기(528012)는 추가로 냉각을 목적으로 물을 증류기로부터 동력 장치를 통해 흘려 보냄으로써 통합될 수도 있다. 냉각을 위한 원수의 사용은 물의 미처리 특성으로 인해 문제가 존재한다. 반면 생성수를 사용하는 것은 증류기가 완전한 작동 조건까지 예열되기 전에 동력 장치가 냉각되게 하기 위해서 시스템에 대하여 추가의 복잡성을 부가한다.
다시 도 44를 참조하면, 다른 실시예는 고체 형태의 첨가물의 사용을 포함할 수도 있는데, 여기서 첨가물은 흡입구(4404)의 유동 채널에 삽입된 지효성 복합재에 함침될 수 있다. 일 특정 실시예에 있어서, 대체 첨가제는 사용자에 의해 주기적으로 삽입될 필요가 있다. 그러나 다른 실시예에 있어서, 분말 형태의 첨가제가 배치(batch) 시스템에 부가될 수 있고, 여기서 분말은 예를 들어 알약 형태로 정화될 물을 함유하는 외부 저장 탱크에 부가되고, 여기서 첨가제는 상술한 액체 첨가제를 부가하는 배치 시스템과 유사하게 균일하게 혼합된다.
도 44를 계속 참조하면, 원수의 사전 처리는 흡입구(4404) 내에서 또는 이전에 행해질 수 있다. 사전 처리 동작은, 총 여과; 폴리포스페이트(Polyphosphate), 폴리아세테이트(polyacetate), 유기산(organic acid) 또는 폴리아스파르테이트(polyaspartate)와 같은 화학 첨가제를 이용한 처리; 진동 자기장 또는 전류와 같은 전기 화학 처리; 가스 제거; 및 UV 처리를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되지 않는다. 첨가제는 표준 다이아프램 펌프 또는 압전기 다이아프램 펌프를 포함하는 맥동 펌프 또는 롤러 펌프와 같은 연속 펌핑 기구를 사용하여 유입하는 액체 흐름에 액체 형태로 첨가될 수도 있다. 다르게는, 첨가제는 예를 들어 재장전 사이클을 요구하는 실린지 펌프(syringe pump)나 배치 펌핑 시스템을 사용하는 반-연속 기구에 의해 첨가될 수도 있는데, 여기서 액체가 시스템 내로 유입되기 전에 첨가제를 액체와 함께 균일하게 혼합하는 시스템 외부의 저장조 또는 보유 체적 내부로 소량의 첨가제가 펌핑될 수 있다. 또한 사용자가 소정량의 첨가제를, 예를 들어 정화될 액체를 포함하는 버켓 내로 단순히 낙하시키는 것이 제안된다. 액체 첨가제는 소비 후에 재장전을 요구하는 일회용 양만큼 또는 수명 양(즉, 기계의 수명 동안 고갈되지 않는 양) 중 하나로 장전될 수도 있다.
도 44를 계속 참조하면, 유사하게 생성수의 후처리는 외부의 출력 영역(도시 생략) 내에서 행하는 것이 바람직하다. 후처리 동작은 달게하기 위한 설탕이 주성분인 첨가제, 시큼함을 위한 산 및 미네랄과 같은 미각 첨가제를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되지 않는다. 또한 영양제, 비타민, 크레아티닌과 같은 안정한 단백질, 및 지방을 포함하는 다른 첨가제 및 설탕이 첨가될 수도 있다. 그러한 첨가제는 배치 시스템을 통하는 경우와 같이 외부 저장조로 첨가되는 분말 또는 출력 액체가 유동하는 지효성 알약 중 하나인 고체 형태이거나, 또는 액체 형태로 첨가될 수도 있다. 다르게는, 첨가제는, 예를 들어 접촉 시 분해 또는 용출에 의해 분리 수거 저장조 또는 용기의 내부 코팅을 통해 출력 액체에 첨가될 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 피정화 액체가 첨가제를 포함하는가 포함하지 않는가를 검출하는 능력이 요구될 수도 있다. 다양한 실시예에 따른 검출 시스템은 pH 분석, 전기 전도도 및 경도 분석 또는 다른 표준 전기 기반 분석을 포함한다. 이러한 검출 시스템은, 첨가제 레벨/양이 사전에 설정한 레벨 이하이거나 또는 검출 불가능한 경우, 필요에 따라, 신호 기구를 트리거함으로써 첨가제의 대체를 허용한다.
또 다른 실시예에 있어서, 예를 들어 물 경도와 같은 액체의 특성이 출력 시 관찰되고, 적절한 첨가물을 추가하는 것이 바람직하다는 신호를 보내는 지시 기구에 결합될 수도 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 예를 들어 전류 또는 방전 방법을 사용하여 오존을 시스템적으로 발생하여, 맛 향상을 위해 출력 생성수에 부가된다. 다르게는, 공기가 생성수를 통해 거품을 일으키는 HEPA 필터를 통해 펌핑되어 물의 맛을 향상시킬 수도 있다.
유사하게, 다른 실시예가 핵산, 항원 및 박테리아와 같은 유기체를 검출하는 수단을 포함하는 것이 제안된다. 이러한 검출 수단의 예로서, 현재 상용으로 입수할 수 있고 본 기술 분야에서 공지된 나노크기의 화학 및 생화학 마이크로 어레이를 포함한다. 또한, 이러한 어레이는 상술한 바와 같은 정화된 생성수 내의 영양제 및 다른 첨가제의 존재 및/또는 부존재를 관찰하도록 사용될 수도 있다.
다른 실시예에 있어서, UV 처리는, 예를 들어 정화된 생성수의 유지 관리를 보조하기 위해, 저장통 또는 다른 용기 내에서 사용되는 후처리 정화가 될 수도 있다.
본 발명의 원리가 본원에서 기술되었지만, 본 설명은 단지 예로서 기술된 것이지 본 발명의 범주를 한정하려는 것이 아님을 알 수 있다. 다른 실시예가 본원에서 기술 및 도시한 예시적인 실시예에 더하여 본 발명의 범주 내에서 고려된다. 본 기술 분야의 당업자에 의한 변형예 및 대체예가 본 발명의 범주 내에서 고려된다.

Claims (20)

  1. 유체 증기 증류 장치이며,
    공급원 유체 입력부와.
    실질적으로 원통형인 하우징 및 상기 하우징 내의 복수의 튜브를 포함하는 증발 응축기와,
    상기 공급원 유체 입력부 및 생성 유체 출력부에 유체 연결되고, 외부 튜브 및 하나 이상의 내부 튜브를 포함하는 열교환기와,
    상기 증발 응축기에 유체 연결되는 재생 송풍기를 포함하고,
    상기 공급원 유체 입력부는 상기 증발 응축기에 유체 연결되고, 상기 증발 응축기는 공급원 유체를 증기로 변환시키고 압축된 증기를 생성 유체로 변환시키고,
    상기 재생 송풍기는 증기를 압축시키고, 압축된 증기는 압축된 증기가 생성 유체로 변환되는 상기 증발 응축기로 유동하는, 유체 증기 증류 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 상기 증발 응축기의 상기 하우징 주위에 배치되는, 유체 증기 증류 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 외부 튜브는 공급원 유체 유동 경로이고 상기 하나 이상의 내부 튜브는 생성 유체 유동 경로인, 유체 증기 증류 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열교환기는 3개 이상의 내부 튜브를 더 포함하는, 유체 증기 증류 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 3개 이상의 내부 튜브는 쌍을 이루어, 실질적으로 나선 형상을 형성하는, 유체 증기 증류 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 열교환기는 2개의 단부를 더 포함하고, 각 단부에는 커넥터가 부착됨으로써, 상기 커넥터는 상기 증발 응축기로의 연결을 형성하는, 유체 증기 증류 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 증발 응축기의 상기 복수의 튜브는 상기 복수의 튜브 내부에 패킹을 더 포함하는, 유체 증기 증류 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 패킹은 로드인, 유체 증기 증류 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 증발 응축기는 상기 복수의 튜브에 유체 연결되는 증기 체스트를 더 포함하는, 유체 증기 증류 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 재생 송풍기는 마그네틱 구동 커플링에 의해 구동되는 임펠러 조립체를 더 포함하는, 유체 증기 증류 장치.
  11. 수증기 증류 시스템이며,
    수증기 증류 장치와,
    상기 수증기 증류 장치에 전기적으로 연결되어, 상기 수증기 증류 장치에 적어도 부분적으로 동력을 제공하는 스털링 엔진을 포함하고,
    상기 수증기 증류 장치는,
    공급원 유체 입력부와.
    실질적으로 원통형인 하우징 및 상기 하우징 내의 복수의 튜브를 포함하는 증발 응축기와,
    상기 공급원 유체 입력부 및 생성 유체 출력부에 유체 연결되고, 외부 튜브 및 하나 이상의 내부 튜브를 포함하는 열교환기와,
    상기 증발 응축기에 유체 연결되는 재생 송풍기를 포함하고,
    상기 공급원 유체 입력부는 상기 증발 응축기에 유체 연결되고, 상기 증발 응축기는 공급원 유체를 증기로 변환시키고 압축된 증기를 생성 유체로 변환시키고,
    상기 재생 송풍기는 증기를 압축시키고, 압축된 증기는 압축된 증기가 생성 유체로 변환되는 상기 증발 응축기로 유동하는, 수증기 증류 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 스털링 엔진은,
    로커 피봇을 구비한 로킹 비임; 하나 이상의 실린더; 개별 실린더 내부에 수용되고 개별 실린더 내부에서 실질적으로 선형 왕복 운동을 행할 수 있는 하나 이상의 피스톤; 및 기단부와 말단부를 구비하여 기단부가 상기 피스톤에 연결되고 말단부가 단부 피봇에 의해 상기 로킹 비임에 연결됨으로써, 피스톤의 선형 운동이 상기 로킹 비임의 회전 운동으로 변환되게 하는 하나 이상의 커플링 조립체를 포함하는 하나 이상의 로킹 드라이브 기구와,
    상기 로킹 비임을 수용하고 상기 커플링 조립체의 제1 부분을 수용하는 크랭크 케이스와,
    커넥팅 로드를 통해 상기 로킹 비임에 결합됨으로써, 상기 로킹 비임의 회전 운동이 전달되는 크랭크 축과,
    하나 이상의 실린더, 하나 이상의 피스톤 및 상기 커플링 조립체의 제2 부분을 수용하는 작업 공간과,
    상기 크랭크 케이스로부터 작업 공간을 밀봉하는 밀봉부를 포함하는, 수증기 증류 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 밀봉부는 롤링 다이아프램인, 수증기 증류 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 커플링 조립체는 피스톤 로드 및 링크 로드를 더 포함하고, 상기 피스톤 로드 및 링크 로드는 커플링 수단에 의해 함께 결합되는, 수증기 증류 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 크랭크 케이스 내에 윤활 유체 펌프를 더 포함하는, 수증기 증류 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 열교환기는 상기 증발 응축기의 상기 하우징 주위에 배치되는, 수증기 증류 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 외부 튜브는 공급원 유체 유동 경로이고 상기 하나 이상의 내부 튜브는 생성 유체 유동 경로인, 수증기 증류 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 열교환기는 3개 이상의 내부 튜브를 더 포함하는, 수증기 증류 시스템.
  19. 제12항에 있어서, 상기 증발 응축기는 상기 복수의 튜브에 유체 연결되는 증기 체스트를 더 포함하는, 수증기 증류 시스템.
  20. 제12항에 있어서, 상기 재생 송풍기는 마그네틱 구동 커플링에 의해 구동되는 임펠러 조립체를 더 포함하는, 수증기 증류 시스템.
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