KR20110007119A

KR20110007119A - 액체 디스플레이서 엔진

Info

Publication number: KR20110007119A
Application number: KR1020107022187A
Authority: KR
Inventors: 니콜라스 에이. 베닉
Original assignee: 니콜라스 에이. 베닉
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2011-01-21
Also published as: MX2010009708A; CN102016305A; CN102016305B; US8429913B2; MY159554A; KR20130060376A; JP2011513641A; WO2009110949A1; US20110000211A1; BRPI0821172A2; KR101342566B1; JP5599729B2

Abstract

외부 열 경사도로부터 에너지를 추출하기 위해 열역학적 스터링 사이클을 이용하는 유체-디스플레이서 엔진이 개시된다. 작동 가스는 두개의 인접한 실린더들 각각에 배치되고 온 디스플레이서 유체와 냉 디스플레이서 유체의 이동에 의해 상기 각 실린더들의 온 영역(hot region)으로부터 냉 영역(cold region)으로 순환된다. 각 챔버 내의 상기 작동 가스의 교대로의 가열 및 냉각은 상기 디스플레이서 유체가 어느 하나의 실린더로부터 또 다른 실린더로 흐르도록 하며 이는, 교대로 상기 작동 가스들 중 어느 하나가 다른 하나를 팽창 및 압출하도록 허용한다. 유체들의 흐름은 선택적으로 컨트롤 밸브들의 사용에 의해 제어될 수 있다. 상기 디스플레이서 유체 흐름 경로들에서 터빈들의 사용에 의해 상기 디스플레이서 유체들의 흐름으로부터 에너지가 추출될 수 있다.

Description

액체 디스플레이서 엔진{LIQUID DISPLACER ENGINE}

본 출원은 이로써 참조로서 포함된 2008년 3월 5일에 출원된 미국 가출원 64/068,215 및 참조로서 포함된 2008년 10월 20일에 출원된 미국 가출원 61/106,615의 우선권을 주장한다.

본 발명은 에너지 변환에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해수 열 에너지 변환(ocean thermal energy conversion) 시스템들에서 사용되는 스터링 엔진(stirling engine)에 관한 것이다.

스터링 엔진은 열에너지를 기계적 또는 전기적 에너지로 변환하기 위한 열역학적(thermodynamic) 스터링 사이클을 이용하는 잘 알려진 기계이다. 일반적인 스터링 엔진에서, 공기, 수소 또는 헬륨과 같은 작동 가스(working gas)는 열원(heat source)에 의해 그 대신에 가열되고, 히트 싱크(heat sink)에 의해 냉각된다. 가열 및 냉각 사이클에 대응하는 상기 작동 가스의 팽창 및 압축은 일반적으로 샤프트(shaft) 또는 드라이브(drive) 기어(gear) 시스템을 교대로 구동시키는 하나 또는 그 이상의 피스톤들(pistons)을 구동시키는데 사용된다.

스터링 엔진의 잘 알려진 하나의 타입은 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명되는 디스플레이서-타입 스터링 엔진이다. 먼저 도 1a를 참조하면, 상기 디스플레이서-타입 스터링 엔진(100)은 하나의 파워 피스톤(102) 및 디스플레이서(104)를 포함한다. 작동 가스(106)는 챔버(chamber, 108) 내에서 디스플레이서(104)의 일측으로부터 디스플레이서(104)의 타측으로 이동한다. 챔버(108)의 일측을 가열하고 챔버(108)의 타측을 냉각하는 것은 디스플레이서(104)가 챔버(108)의 온측(hot side) 및 냉측(cold side) 사이를 번갈아 이동하도록 교대로 하는 디스플레이서(104)의 양측 상에서 번갈아 반복적으로 팽창 및 수축하도록 한다. 작동 피스톤(102)은 디스플레이서 챔버(108)와 교통하는 제2 챔버(110)의 내부에 단단하게 밀폐되고 상기 챔버의 온측상에서 작동 가스(106)가 팽창하는 파워 스트로크(power stroke) 동안 상측으로 힘을 받는다. 작동 피스톤(102)은 크랭크 샤프트(crank shaft)에 의해, 예를 들어, 그들의 상대적인 움직임들의 시간을 맞추고 조정하는 디스플레이서(104)에 기계적으로 연결될 수 있다. 상기 기계적인 연결은, 도시되지 않았으나, 작동 피스톤(102)이 작동 가스(106)를 압축시켜 디스플레이서(104)로의 하측방향 움직임을 제공한다(도 1b). 열이 상기 디스플레이서의 냉측상에서의 작동 가스(106)의 압축을 도와 이러한 가스가 상기 디스플레이서 주변으로 이동하도록 하는 축열기(regernaertor, 112)에 의해 상기 작동 가스(106)로부터 추출되거, 상기 챔버의 온측을 다시 채운다(도 1c). 상기 냉(cold) 작동 가스는 그런 후 챔버의 온측에 의해 가열되어(도 1d), 파워 피스톤(102)을 구동시켜 디스플레이서(104)가 하측방향으로 이동되도록 한다. 에너지는 그에 따라 상기 챔버의 온측 및 냉측 사이의 온도차에 대응하여 상기 작동 가스로부터 추출된다.

다양한 시스템들과 방법들이 해수로부터 에너지를 추출하고 상기 해수의 열 에너지를 유용한 에너지의 다른 형태들로 변환하는 것에 대해 알려져 있다. 상기 해수 열 변환(OTEC) 분야는 특정 기술적 장벽들이 극복되면 재생 가능한 에너지원으로 많은 보장을 한다. 해수로부터 에너지를 추출하기 위해, OTEC 시스템은 따뜻한 해수 표면으로부터 바다 깊은 곳들의 훨씬 더 차가운 물까지 확장하는 영역들을 포함하여야 한다. 불리하게도, 디스플레이서-타입의 스터링 엔진들은 요구되는 큰 크기의 디스플레이스먼트(displacement) 챔버와 큰 거리를 걸쳐 이어져야 하는 다양한 기계적인 연결들(linkages)에 의해 OTEC 시스템들에 사용되기에는 비현실적인 것으로 지금까지는 알려져 오고 있다.

본 발명은 외부 온도 열 경사도(thermal gradient)로부터 에너지를 추출할 수 있는 열역학적 스터링 사이클을 이용하는 유체-디스플레이서 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

작동 가스는 두개의 인접한 실린더들 각각에 배치되고 온 디스플레이서 유체와 냉 디스플레이서 유체의 이동에 의해 상기 각 실린더들의 온 영역(hot region)으로부터 냉 영역(cold region)으로 순환된다. 각 챔버 내의 상기 작동 가스의 교대로의 가열 및 냉각은 상기 디스플레이서 유체가 어느 하나의 실린더로부터 또 다른 실린더로 흐르도록 하며 이는, 교대로 상기 작동 가스들 중 어느 하나가 다른 하나를 팽창 및 압출하도록 허용한다. 유체들의 흐름은 선택적으로 컨트롤 밸브들의 사용에 의해 제어될 수 있다. 상기 디스플레이서 유체 흐름 경로들에서 터빈들의 사용에 의해 상기 디스플레이서 유체들의 흐름으로부터 에너지가 추출될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 디스플레이서-타입의 스터링 엔진의 고체 디스플레이서를 온 디스플레이서 챔버와 냉 디스플레이서 챔버들 사이에서 순환하는 온냉 디스플레이서로 교체함으로써 이전에 알려진 스터링 엔진들과 이전에 알려진 OTEC 시스템들의 단점들을 극복할 수 있다.

본 발명의 상기한 그리고 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들과 함께, 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 수 있을 것이다:
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 디스플레이서-타입 스터링 엔진의 4개의 동작 상태들을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유체 디스플레이서 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 유체 디스플레이서 엔진의 4개의 동작 상태들을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4는 보다 효과적인 열 교환을 위해, 냉 디스플레이서 유체를 작동 가스를 통해 분무하기 위한 펌프 및 노즐 시스템을 포함하는 유체 디스플레이서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 보다 효과적인 동작을 위해 디스플레이서 유체 노즐들 및 열 교환기들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 유체 디스플레이서 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 다양한 실시예들은 디스플레이서-타입의 스터링 엔진의 고체 디스플레이서를 온(hot) 디스플레이서 챔버와 냉(cold) 디스플레이서 챔버들 사이에서 순환하는 온냉(hot and cold) 디스플레이서로 교체함으로써 이전에 알려진 스터링 엔진들과 이전에 알려진 OTEC 시스템들의 단점들을 극복한다.

본 발명의 실시예가 도 2를 참조하여 설명된다. 유체-디스플레이서 엔진(300)은 온 전달 파이프(hot transfer pipe, 310)를 통해 제2 온 유체 저장소(hot fluid reservoir, 304)에 연결된 제1 온 유체 저장소(302)를 포함한다. 제1 냉 유체 저장소(cold fluid reservoir, 306)는 냉 전달 파이프(hot transfer pipe, 312)를 통해 제2 냉 유체 저장소(308)에 연결된다. 제1 온 유체 저장소(302)는 제1 가스 도관(conduit)을 통해 제1 냉 유체 저장소(306)에 연결된다. 제2 온 유체 저장소(304)는 제2 가스 도관(316)을 통해 제2 냉 유체 저장소(308)에 연결된다.

온 디스플레이서 유체(hot displacer fluid, 318)는 제1 온 유체 저장소(302) 및 제2 온 유체 저장소(304) 내부에 배치되어 온 전달 파이프(310)를 통해 그들 사이를 지날 수 있다. 냉 디스플레이서 유체(cold displacer fluid, 320)는 제1 냉 유체 저장소(306) 및 제2 냉 유체 저장소(308) 내부에 배치되어 냉 전달 파이프(312)를 통해 그들 사이를 이동할 수 있다. 온 디스플레이서 유체(318)는 제1 가스 도관(314) 및 제2 가수 도관(316)을 통해 제1 냉 유체 저장소(306) 또는 제2 냉 유체 저장소(308)로 가는 것이 방지된다. 냉 디스플레이서 유체(320)는 제1 가스 도관(314) 및 제2 가수 도관(316)을 통해 제1 온 유체 저장소(302) 또는 제2 온 유체 저장소(304)로 나가는 것이 방지된다.

본 실시예에서, 제1 가스 도관(314) 및 제2 가스 도관(314)은 수직 방향으로 형성된다. 각 가스 도관(314, 316)의 상단은 그들 각각의 온 유체 저장소들(302, 304)에서 가장 높은 온 유체 레벨보다 상측으로 배치된다. 각 가스 도관(314, 316)의 하단은 그들의 각 냉 유체 저장소들(306, 308)에서 가장 높은 냉 유체 레벨보다 상측으로 배치된다.

제1 작동 가스(322)는 제1 가스 도관(314)을 통해 제1 온 유체 저장소(302)와 제1 냉 유체 저장소(306) 사이를 자유롭게 이동한다. 제2 작동 가스(324)는 제2 가스 도관(316)을 통해 제2 온 유체 저장소(304)와 제2 냉 유체 저장소(308) 사이를 자유롭게 이동한다. 온 유체 저장소들(302, 304)과 냉 유체 저장소들(306, 308) 사이의 열 경사도는 교번적으로 각 작동 가스(322, 324)에서의 압력을 증가시키고 감소시켜 온 디스플레이서 유체(318)가 온 유체 저장소들(302, 304) 사이를 순환하고 냉 디스플레이서 유체(320)가 냉 유체 저장소들(306, 308) 사이를 순환하도록 한다. 흐름 컨트롤 밸브들(flow control valves, 미도시)이, 예를 들어, 온 디스플레이서 유체(318)와 냉 디스플레이서 유체(320)의 교번적인 방향의 흐름들을 유지시키고 제1 작동 가스(322)와 제2 작동 가스(324) 사이의 충분한 압력 차이를 발생시키기 위한 시간을 허용하기 위해 전달 파이프들(310, 312) 내부에 사용될 수 있다. 유체 디스플레이스먼트 엔진(300)으로부터의 출력 에너지를 제공하기 위한 온 유체 흐름 및 또는 냉 유체 흐름과 교통하는 에너지 추출 장치를 제공함에 의해 상기 디스플레이서 유체들의 흐름으로부터 에너지가 추출될 수 있다. 본 기술 분야에서 알려진 다양한 에너지 추출 장치들은, 터빈 발생기(turbine generator, 미도시)가 온 전달 파이트(310) 및/또는 냉 전달 파이프(312)에 제공되는 경우에 적당하다. 본 발명의 실시예는, 이는 컨트롤 밸브들과 터빈 생성기들을 포함하는, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명된다.

도 3a에서, 제1 작동 가스(422)가 제1 냉 유체 저장소(406)의 더 차가운 환경(environment)으로부터 제1 온 유체 저장소(402) 내부로 푸쉬(push)되는 유체 디스플레이서 엔진(400)이 도시된다. 제1 온 유체 저장소(402)의 더 뜨거운 환경은 제 작동 가스(422)를 가열한다. 제2 작동 가스(424)는 제2 온 유체 저장소(404)의 더 뜨거운 환경으로부터 제2 냉 유체 저장소(408)로 푸쉬(push)된다. 제2 냉 유체 저장소(408)의 더 차가운 환경은 제2 작동 가스(424)로부터 열을 추출한다. 온 전달 파이프(410) 내의 제1 밸브(430)는 닫히고 냉 전달 파이프(412) 내의 제2 밸브(432)도 닫혀 온 디스플레이서 유체(418)와 냉 디스플레이서 유체(420)의 흐름을 방해하고 그에 따라 제1 작동 가스(422)와 제2 작동 가스(424)의 균일한 양을 유지시킨다. 제1 작동 가스(422)에서의 압력은 그것이 뜨거워짐에 따라 증가하기 시작하고, 제2 작동 가스(424)에서의 압력은 그것이 차가워짐에 따라 감소하기 시작한다.

도 3b에서는, 제1 작동 가스(422)가, 이는 제1 온 유체 저장소(402)에서 가열되었던, 제2 냉 유체 저장소(408)에서 냉각되었던 제2 작동 가스(424)보다 더 높은 압력을 가지는 유체 디스플레이서 엔진(400)의 다음 상태가 도시된다. 제2 밸브(432)는 그런 후 열리고 제1 밸브(430)은 닫힌 채로 남아있는다. 제1, 2 작동 가스들(422, 424) 사이의 압력 차이는 제1 작동 가스(422)의 압력이 제2 작동 가스(424)의 압력과 같아질 때까지 냉 디스플레이서 유체(420)가 냉 전달 파이프(412)를 통해 제1 냉 유체 저장소(406)로부터 제2 냉 유체 저장소(408)로 흐르도록 한다.

실시예에서, 제1 터빈(434)는 온 전달 파이프(410) 내에 배치되고, 제2 터빈(436)은 냉 전달 파이트(412) 내부에 배치된다. 냉 전달 파이프(412)를 통한 냉 디스플레이서 유체(420)의 흐름은 유체 디스플레이서 엔진(400)으로부터 에너지를 추출하는 생성기(generator) 또는 다른 기계 장치를 구동시키기 위해 사용되는 제2 터빈(436)의 회전을 일으킨다.

도 3c에서는, 제1 밸브(430) 및 제2 밸브(432)가 모두 닫혀있는 유체 디스플레이서 엔진(400)의 다음 상태가 도시된다. 제2 작동 가스(424)는, 냉 디스플레이서 유체(420)의 흐름에 의해 압축되고 제2 냉 유체 저장소(408)로부터 제2 온 유체 저장소(404)로 이동되는, 제2 작동 가스(424)의 압력을 증가시키는 제2 온 유체 저장소(404)의 더 뜨거운 환경에 의해 가열된다. 제1 작동 가스(422)는, 팽창되고 제1 온 유체 저장소(402)로부터 제1 냉 유체 저장소(406)로 이동되는, 제1 작동 가스(422)의 압력을 감소시키는 제2 냉 유체 저장소(408)의 더 차가운 환경에 의해 냉각된다.

도 3d에서는, 제2 작동 가스(424)가, 제2 온 유체 저장소(404)에서 가열되었던, 제1 냉 유체 저장소(406)에서 냉각되었던 제1 작동 가스(422)보다 더 높은 압력을 가지는 유체 디스플레이서 엔진(400)의 다음 상태가 도시된다. 상기 제1 밸브는 그런 후 열리고 제2 밸브(432)는 닫힌 상태로 남아있는다. 제1, 2 작동 가스들(422, 424) 사이의 압력 차이는 온 디스플레이서 유체(418)가 온 전달 파이프(410)를 통해 제2 온 유체 저장소(404)로부터 제1 온 유체 저장소(402)로 흐르도록 한다. 온 전달 파이프(410)를 통한 온 디스플레이서 유체(418)의 흐름은 유체 디스플레이서 엔진(400)으로부터 에너지를 추출하기 위한 제1 터빈(434)의 회전을 일으킨다.

도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명된 사이클은 계속하여 각 새로운 사이클에 대해 반대 방향으로 반복된다.

실시예에서, 진보된 유체 디스플레이서 엔진은 해수 열 에너지 변환(OTEC) 시스템과 관련하여 채용된다. 이러한 실시예에서, 상기 온 유체 저장소 저장소들은 해수면에 또는 그 근처에 배치되고, 상기 냉 유체 저장소 저장소들은 해수의 바다의 자연적인 온도 경사도를 이용하고 그에 따라 상기 바다로부터 열 에너지를 추출하기 위해 실질적으로 더 차가운 바다 깊은 곳, 예를 들어 200 미터 깊이에 배치된다. 상기 온 및 냉 유체 저장소들 사이의 온도 경사도는 상기 온 유체 챔버들의 태양 에너지 흡수를 최대화함에 의해 더욱 증가될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 유체 디스플레이서 엔진의 효과는 상기 작동 가스의 가열 및 냉각 비율들(heating and cooling rates)을 증가시킴에 의해 향상될 수 있다. 상기 온 및 냉 유체 저장소들 및/또는 제1 가스 도관 및 제2 가스 도관의 구조는 그들의 표면 영역을 최대화함에 의해, 예를 들어, 또는 작동 가스들(및/또는 유체들)과 외부 환경 사이의 인터페이스 내에 히트 싱크들과 히트 파이프들과 같은 장치들을 이용함에 의해 외부 환경과 열을 효율적으로 교환하도록 설계될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유체 디스플레이서 엔진의 효율을 증가시키는 방법이 도 4를 참조하여 설명되며, 여기서 유체 디스플레이서 엔진(450)의 냉 작동 유체(460)는 노즐(462, 464)을 통해 상기 유체를 펌핑(pumping)함에 의해 냉 유체 저장소들(456, 458) 중 하나 또는 둘 모두의 내부에서 회전된다. 노즐(462, 464)로부터의 냉 작동 유체의 분무(spray)가 그것이 분무되는 작동 가스(466)의 냉각 비율(rate of cooling)을 증가시킨다. 노즐(462, 464)은 상기 디스플레이서 유체가 상기 작동 가스에서 증발되도록 하지 않고 상기 작동 가스를 통해 상기 디스플레이서 유체의 작은 방울들을 분무하도록 설계된다. 회전 펌프들(476, 478)은 외부에서 파워를 수신하기 위한 수단들(미도시)에 의해 연결되어 각각의 냉 유체 저장소(456, 458)에서 상기 작동 가스를 냉각시키기에 바람직한 시점에 적절한 회전 펌프(476, 478)가 구동되도록 하기 위해 당업자에게 명백하도록 신호들을 제어한다. 밸브들(468. 470)은 도 3a 내지 도 3d의 실시예들을 참조하여 이전에 설명된 바와 같이 동작된다. 터빈들(472, 474) 또는 다른 에너지 추출 장치들은 도 3a 내지 도 3d의 실시예들을 참조하여 이전에 설명된 바와 같이 상기 작동 유체들로부터 에너지를 추출하기 위해 사용될 수 있다.

회전 펌프들(476, 478)이 각 디스플레이서 유체 저장소 내부 전체의 디스플레이서 유체를 회전시키는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 다양한 실시예들(미도시)은 상기 디스플레이서 유체 챔버의 외부로 확장하고, 그 후 선택적으로 열 교환기를 통해 각각의 디스플레이서 유체 저장소로 복귀하는 회전 경로를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 각 디스플레이서 유체 저장소는 상기 디스플레이서 유체 흐름이 대응하는 열 교환기를 통해 지나간 후 상기 디스플레이서 유체를 분무하고, 노즐을 통해, 상기 디스플레이서 유체 저장소로 복귀하는 회전 펌프가 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유체 디스플레이서 엔진의 효율을 증가시키는 또 다른 방법이 도 5를 참조하여 설명되며, 여기서 냉 디스플레이서 유체는 노즐을 통해 지나가며 상기 작동 가스를 보다 효율적으로 냉각할 수 있도록 적절한 냉 유체 저장소의 내부로 분무된다. 유체 디스플레이서 엔진(500)은 온 유체 전달 파이프(507) 및 온 유체 밸브(hot fluid valve, 510)를 통해 제2 온 유체 저장소(504)에 연결된 제1 온 유체 저장소(502)를 포함한다. 제1 냉 유체 저장소(506)는 제1 냉 유체 전달 파이프(512) 및 제1 냉 유체 밸브(513)를 통해 제2 냉 유체 저장소(508)에 연결된다. 제1 냉 유체 저장소(506)는 또한 제2 냉 유체 전달 파이프(515) 및 제2 냉 유체 밸브(517)를 통해 제2 냉 유체 저장소(508)에 연결된다.

도 5에 도시된 실시예는 밸브들(513, 517)이, 예를 들어 컨트롤러(controller)에 의해, 어느 한 냉 전달 파이프의 입력단으로부터 동일한 전달 파이프의 출력단으로의 일방향 흐름을 강제하기 위해, 또 다른 냉 전달 파이프를 통해 흐름을 닫은 상태로, 제어된다는 점을 제외하고는 도 3을 참조하여 설명한 실시예와 근본적으로 동일한 방식으로 수행한다. 각각의 냉 유체 전달 파이프(512, 515)는 디스플레이서 유체가 그것의 각 챔버 내부로 분무되어 그에 따라 보다 효과적으로 작동 가스로부터의 열을 흡수하도록 하는 노즐(519)로서 그의 출력단에서 종결된다. 상기 노즐은 상기 디스플레이서 유체가 상기 작동 가스에서 증발되지 않고 상기 디스플레이서 유체의 작은 방울을 분무하도록 설계된다.

실시예에서, 터빈(521)은 온 전달 파이프(507, 510)와 각 냉 전달 파이프(512, 525) 내에 배치될 수 있다. 적절한 전달 파이프를 통한 상기 디스플레이서 유체의 흐름은 유체 디스플레이서 엔진(500)으로부터 에너지를 추출하기 위한 발생기 또는 다른 기계 장치를 구동시키기 위해 사용되는 각 터빈의 회전을 일으킨다.

유체 디스플레이서 엔진(500)의 효율은 각 디스플레이서 유체를 그의 적절한 유체 저장소로 전달하는 동안 온 디스플레이서 유체를 예열(preheating)함에 의해 및/또는 상기 냉 디스플레이서 유체를 예냉(pre-cooling)함에 의해 더욱 향상될 수 있다. 실시예에서, 예열 코일(523)이 온 전달 파이프(507) 내에 배치되고, 예냉 코일(525)이 냉 전달 파이프들(512, 515) 각각에 배치된다. 상기 예열 코일(523) 및 예냉 코일(525)에 대신하여 또는 그에 부가하여, 다양한 예열 및/또는 예냉 메커니즘들이 적절한 유체 저장소 내로 전달되는 동안 상기 디스플레이서 유체를 예열 및/또는 예냉하기 위해 사용될 수 있다.

여기서 개시된 다양한 밸브들은 수동 또는 , 예를 들어 기계적 연결(mechanical linkage), 마이크로 컨트롤러 또는 다른 마이크로프로세서 시스템과 같은 임의의 개수의 다른 컨트롤러 타입들에 의해 제어될 수 있다. 당업자는 컴퓨터에 의해 제어되는 밸브들과 펌프들의 사용이 작동 가스와 디스플레이서 유체 사이의 열 전달을 최적화할 수 있는 디스플레이서 유체 전달의 타이밍을 제공할 수 있음을 인식한다. 어느 한 실시예에서, 예를 들어, 온 및 냉 디스플레이서 유체의 전달은 어느 한 디스플레이서 유체 저장소로부터 또 다른 대응되는 디스플레이서 유체 저장소로의 디스플레이서 유체의 흐름을 보조하는 펌프들의 사용에 의해 도움을 받는다. 이러한 실시예에서 컴퓨터에 의해 제어되는 밸브들은 작동 가스와 디스플레이서 유체 사이의 최적 열 전달을 가져오는 세밀한 타이밍을 제공한다. 작동 가스에서 노즐을 통해 분무되고 있는 냉 디스플레이서 유체에 부가하여, 컴퓨터에 의해 제어되는 밸브들 및 펌프들의 사용은 작동 가스를 지나는 온 디스플레이서 유체를 분무하기 위해 온 디스플레이서 챔버 내의 노즐들의 사용과 결합될 수 있다.

상기 온 및 냉 디스플레이서 유체들은 동일 또는 서로 다른 유체들일 수 있으며 바람직하게는 높은 열 용량(heat capacity)을 가진다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 온 및 냉 디스플레이서 유체로서의 사용에 적당할 수 있는 유체들의 예들은 물(water) 또는 작동 가스의 존재에 의해 주어진 유체 디스플레이스먼트 엔진의 작동 온도들 및 압력들에서 상태를 변화시키지 않을 가상의 임의의 액체를 포함한다.

상기 제1, 2 작동 가스들은 동일 또는 서로 다른 유체들일 수 있으며 바람직하게는 높은 열 용량을 가진다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 작동 가스로서의 사용에 적당할 수 있는 가스들의 예들은 예를 들어 공기(air), 질소(nitrogen), 수소(hydrogen), 및 헬륨(helium)을 포함한다.

본 발명은 실시예들을 참조하여 설명되었으나, 다양한 다른 변화들, 삭제들, 및/또는 부가들이 만들어지고 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 그에 따른 구성요소들이 실질적인 균등물들로 교체될 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다. 부가하여, 특별한 상태 또는 물질을 본 발명의 사상에 적용시키기 위해 그에 따른 범위를 벗어나지 않는 많은 변경들이 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 개시된 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 그러나 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함할 것이 의도된다. 더불어, 특별히 언급되지 않는한 제1, 제2, 등의 용어의 어떤 사용은 중요도의 어떤 순서를 정하지 않으며, 오히려 상기 제1, 제2, 등의 용어들은 서로 구별하기 위해 사용된다.

100 : 디스플레이서-타입 스터링 엔진 102 : 파워 피스톤
104 : 디스플레이서 106 : 작동 가스
108 : 챔버(chamber) 110 : 제2 챔버(110)
112 : 축열기(regernaertor)
300, 400, 450, 500 : 유체-디스플레이서 엔진
302, 402, 452, 502 : 제1 온 유체 저장소
304, 404, 454, 504 : 제2 온 유체 저장소(hot fluid reservoir)
306, 406, 456, 506 : 제1 냉 유체 저장소(cold fluid reservoir)
308, 408, 458, 508 : 제2 냉 유체 저장소
310, 410 : 온 전달 파이프(hot transfer pipe)
312, 412 : 냉 전달 파이프(hot transfer pipe)
314, 414 : 제1 가스 도관(conduit)
316, 416 : 제2 가스 도관
318, 418 : 온 디스플레이서 유체(hot displacer fluid)
320, 420, 460 : 냉 디스플레이서 유체(cold displacer fluid)
322, 422 : 제1 작동 가스
324, 424 : 제2 작동 가스
430 : 제1 밸브 432 : 제2 밸브
434 : 제1 터빈 436 : 제2 터빈
462, 464 : 노즐 466 : 작동 가스
468. 470 : 밸브들 472, 474 : 터빈들
476, 478 : 회전 펌프들 507 : 온 유체 전달 파이프
510 : 온 유체 밸브(hot fluid valve) 512 : 제1 냉 유체 전달 파이프
513 : 제1 냉 유체 밸브 515 : 제2 냉 유체 전달 파이프
517 : 제2 냉 유체 밸브 519 : 노즐
521 : 터빈
523 :예열(pre-heating) 코일 525 : 예냉(pre-cooloing) 코일

Claims

에너지 변환 장치에 있어서.
온 전달 파이프(hot transfer pipe)를 통해 제2 온 유체 저장소에 연결되는 제1 온 유체 저장소;
냉(cold) 전달 파이프를 통해 제2 냉 유체 저장소에 연결되는 제1 냉 유체 저장소;
상기 제1 온 유체 저장소를 상기 제1 냉 유체 저장소에 연결시키는 제1 가스 도관;
상기 제2 온 유체 저장소를 상기 제2 냉 유체 저장소에 연결시키는 제2 가스 도관;
상기 제1 온 유체 저장소, 상기 제2 온 유체 저장소 및 상기 온 전달 파이프 내부에 배치되는 온 디스플레이서 유체;
상기 제1 냉 유체 저장소, 상기 제2 냉 유체 저장소 및 상기 냉 전달 파이프 내부에 배치되는 냉 디스플레이서 유체;
상기 제1 온 유체 저장소와 상기 제1 냉 유체 저장소 내에 제1 가스 압력을 가하는 제1 작동 가스;
상기 제2 온 유체 저장소와 상기 제2 냉 유체 저장소 내에 제2 가스 압력을 가하는 제2 작동 가스;
상기 제1 온 유체 저장소 및 제2 온 유체 저장소는 열 경사도(thermal gradient)에 의해 상기 제1 냉 유체 저장소 및 제2 냉 유체 저장소로부터 분리되며; 및
상기 온 디스플레이서 유체 또는 냉 디스플레이서 유체 중 어느 하나의 흐름을 상기 에너지 변환 장치로부터의 출력을 위한 에너지로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지 추출 장치를 포함하는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 열 경사도는
상기 온 디스플레이서 유체가 상기 온 유체 저장소들 사이에서 순환하고 상기 냉 디스플레이서 유체가 상기 냉 유체 저장소들 사이에서 순환하도록 각 작동 가스에서의 압력을 교대로 증가시키고 감소시키는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 가스 도관 및 제2 가스 도관은
상기 온 디스플레이서 유체가 제1 냉 유체 저장소 및 제2 냉 유체 저장소로 지나가지 않도록 방지하며, 상기 냉 디스플레이서 유체가 제1 온 유체 저장소 및 제2 온 유체 저장소로 지나가지 않도록 방지하도록 구성되는 에너지 변환 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 가스 도관 및 제2 가스 도관은
상기 가스 도관들 각각의 상단이 각 온 유체 저장소들에서의 가장 높은 유체 저장소 레벨보다 상측에 배치되도록 수직 방향으로 형성되고;
각 가스 도관의 하단은 각 냉 유체 저장소에서의 가장 높은 냉 유체 레벨보다 상측에 배치되는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 온 전달 파이프 내에 배치된 제1 흐름 컨트롤 밸브들; 및
상기 냉 전달 파이프 내에 배치된 제2 흐름 컨트롤 밸브를 포함하는 에너지 변환 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 흐름 컨트롤 밸브 및 상기 제2 흐름 컨트롤 밸브와 교통하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 온 디스플레이서 유체와 냉 디스플레이서 유체의 교차되는 방향의 흐름들을 유지하기 위해 결정된 시간들에 상기 제1 흐름 컨트롤 밸브 및 상기 제2 흐름 컨트롤 밸브를 열고 닫도록 구성되는 에너지 변환 장치.
제6항에 있어서, 상기 컨트롤러는
상기 온 디스플레이서 유체 또는 상기 냉 디스플레이서 유체의 흐름을 발생시키기 위해 상기 제1 작동 가스와 상기 제2 작동 가스 사이에서 발생하는 압력의 충분한 차이를 위한 시간을 허용하도록 구성되는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 터빈이 상기 온 전달 파이프 및 상기 냉 전달 파이프 중 적어로 하나에 배치되는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 온 전달 파이프 및 냉 전달 파이프 중 적어도 하나에 배치되는 적어도 하나의 노즐을 포함하고,
상기 노즐은 상기 각 온 유체 저장소 또는 냉 유체 저장소에서 상기 각각의 제1 또는 제2 작동 가스를 통해 상기 각각의 온 또는 냉 디스플레이서 유체를 분무(spray)하도록 하는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉 디스플레이서 유체와 교통하며 상기 냉 디스플레이서 유체로부터 열을 추출하도록 구성된 예냉기(pre-cooler)를 포함하는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 온 디스플레이서 유체와 교통하며 상기 온 디스플레이서 유체에 열을 가하도록 구성된 예열기(pre-heater)를 포함하는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 에너지 추출 장치는
터빈 생성기(turbin generator)를 포함하는 에너지 변환 장치.
제1항에 있어서,
회전 펌프(circulator pump)와 교통하는 노즐을 포함하고, 상기 노즐 및 회전 펌프는 상기 작동 가스가 상기 냉 디스플레이서 유체에 의해 냉각될 때 상기 냉 디스플레이서 유체가 상기 작동 가스를 통해 분무되도록 상기 냉 유체 저장소들 중 하나 또는 둘 모두의 내부에 상기 냉 디스플레이서 유체를 순환시키도록 하는 에너지 변환 장치.
에너지 변환 장치에 있어서.
내부에 배치된 제1 온 유체 밸브를 가지는 제1 온 전달 파이프 및 내부에 배치된 제2 온 유체 밸브를 가지는 제2 온 유체 전달 파이프를 통해 제2 온 유체 저장소에 연결되는 제1 온 유체 저장소, 상기 온 유체 전달 파이프들 각각은 분무 노즐로 종결된 출력단을 가지는;
내부에 배치된 제1 냉 유체 밸브를 가지는 제1 냉 전달 파이프 및 내부에 배치된 제2 냉 유체 밸브를 가지는 제2 냉 유체 전달 파이프를 통해 제2 냉 유체 저장소에 연결되는 제1 냉 유체 저장소, 상기 냉 유체 전달 파이프들 각각은 분무 노즐로 종결된 출력단을 가지는;
상기 제1 온 유체 저장소를 상기 제1 냉 유체 저장소에 연결시키는 제1 가스 도관;
상기 제2 온 유체 저장소를 상기 제2 냉 유체 저장소에 연결시키는 제2 가스 도관;
상기 제1 온 유체 저장소, 상기 제2 온 유체 저장소 및 상기 제1 온 전달 파이프 또는 상기 제2 온 전달 파이프 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 온 디스플레이서 유체;
상기 제1 냉 유체 저장소, 상기 제2 냉 유체 저장소 및 상기 제1 냉 전달 파이프 또는 상기 제2 냉 전달 파이프 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 냉 디스플레이서 유체;
상기 제1 온 유체 저장소와 상기 제1 냉 유체 저장소 내에 제1 가스 압력을 가하는 제1 작동 가스;
상기 제2 온 유체 저장소와 상기 제2 냉 유체 저장소 내에 제2 가스 압력을 가하는 제2 작동 가스;
상기 제1 온 유체 저장소 및 제2 온 유체 저장소는 열 경사도에 의해 상기 제1 냉 유체 저장소 및 제2 냉 유체 저장소로부터 분리되며;
상기 제1 온 유체 밸브, 상기 제2 온 유체 밸브, 상기 제1 냉 유체 밸브 및 상기 제2 냉 유체 밸브와 교통하는 컨트롤러, 상기 컨트롤러는 온 디스플레이서 유체와 냉 디스플레이서 유체의 교차되는 방향의 흐름들을 유지하기 위해 결정된 시간들에 상기 적절한 제1 및 제2 온 및 냉 유체 밸브(들)을 열고 닫으며, 그들의 각 출력단을 향하고 각각의 분무 노즐을 통해 상기 전달 파이프들 각각에서 일방향의 흐름을 강제하도록 구성되는; 및
상기 제1 디스플레이서 유체 또는 제2 디스플레이서 유체 중 어느 하나의 흐름을 상기 에너지 변환 장치로부터의 출력을 위한 에너지로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지 추출 장치를 포함하는 에너지 변환 장치.
제14항에 있어서, 상기 열 경사도는
상기 온 디스플레이서 유체가 상기 온 유체 저장소들 사이에서 순환하고 상기 냉 디스플레이서 유체가 상기 냉 유체 저장소들 사이에서 순환하도록 각 작동 가스에서의 압력을 교대로 증가시키고 감소시키는 에너지 변환 장치.
제14항에 있어서, 상기 제1 가스 도관 및 제2 가스 도관은
상기 온 디스플레이서 유체가 제1 냉 유체 저장소 및 제2 냉 유체 저장소로 지나가지 않도록 방지하며, 상기 냉 디스플레이서 유체가 제1 온 유체 저장소 및 제2 온 유체 저장소로 지나가지 않도록 방지하도록 구성되는 에너지 변환 장치.
제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는
상기 노즐들 중 각각 하나를 통해 상기 온 디스플레이서 유체 또는 상기 냉 디스플레이서 유체의 흐름을 발생시키기 위해 상기 제1 작동 가스와 상기 제2 작동 가스 사이에서 발생하는 압력의 충분한 차이를 위한 시간을 허용하도록 구성되는 에너지 변환 장치.
제14항에 있어서,
상기 냉 디스플레이서 유체와 관련되어 상기 냉 디스플레이서 유체로부터 열을 추출하도록 구성된 예냉기를 포함하는 에너지 변환 장치.
제14항에 있어서,
상기 온 디스플레이서 유체와 관련되어 상기 온 디스플레이서 유체에 열을 가하도록 구성된 예열기를 포함하는 에너지 변환 장치.
에너지를 생성하는 방법에 있어서.
온 전달 파이프를 통해 제2 온 유체 저장소에 제1 온 유체 저장소를 연결하는 단계;
냉 전달 파이프를 통해 제2 냉 유체 저장소에 제1 냉 유체 저장소를 연결하는 단계;
제1 가스 도관을 통해 상기 제1 냉 유체 저장소에 상기 제1 온 유체 저장소를 연결하는 단계;
제2 가스 도관을 통해 상기 제2 냉 유체 저장소에 상기 제2 온 유체 저장소를 연결하는 단계;
상기 제1 온 유체 저장소, 상기 제2 온 유체 저장소 및 상기 온 전달 파이프 내부에 온 디스플레이서 유체를 배치하는 단계;
상기 제1 냉 유체 저장소, 상기 제2 냉 유체 저장소 및 상기 냉 전달 파이프 내부에 냉 디스플레이서 유체를 배치하는 단계;
상기 제1 온 유체 저장소와 상기 제1 냉 유체 저장소 내에 제1 가스 압력을 가하는 제1 작동 가스를 제공하는 단계;
상기 제2 온 유체 저장소와 상기 제2 냉 유체 저장소 내에 제2 가스 압력을 가하는 제2 작동 가스를 제공하는 단계;
상기 제1 온 유체 저장소 및 제2 온 유체 저장소는 열 경사도에 의해 상기 제1 냉 유체 저장소 및 제2 냉 유체 저장소로부터 분리되며; 및
상기 온 디스플레이서 유체 또는 냉 디스플레이서 유체 중 어느 하나의 흐름을 상기 에너지 변환 장치로부터의 출력을 위한 에너지로 변환하는 단계를 포함하는 에너지 생성 방법.
제20항에 있어서,
상기 작동 가스가 상기 냉 디스플레이서 유체에 의해 냉각되는 경우 상기 작동 가스를 통해 상기 냉 디스플레이서 유체를 분무하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
제20항에 있어서,
상기 냉 디스플레이서 유체를 열 교환기(heat excahnger)를 통해 지나도록 하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
제21항에 있어서,
상기 온 디스플레이서 유체를 열 교환기를 통해 지나도록 하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.