KR20110121593A - 작동 조건 및 선택된 사용자 입력을 기초로 열음향 장치의 최적화 - Google Patents

작동 조건 및 선택된 사용자 입력을 기초로 열음향 장치의 최적화 Download PDF

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Abstract

열음향 냉동기에서, 열음향 냉동기 작동의 효율을 최적화하기 위하여 작동 온도, 주위 온도, 및 선택된 사용자 입력이 진동수 및/또는 입력 전력을 제어하기 위하여 이용된다. 열음향 열기관에서, 열음향 열기관 작동의 효율을 최적화하기 위하여 작동 온도, 주위 온도, 및 선택된 사용자 입력이 부하의 임피던스를 제어하기 위하여 이용된다.

Description

작동 조건 및 선택된 사용자 입력을 기초로 열음향 장치의 최적화{OPTIMIZATION OF A THERMOACOUSTIC APPARATUS BASED ON OPERATING CONDITIONS AND SELECTED USER INPUT}
본 발명은 열음향 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 열음향 냉동기 또는 열음향 열기관과 같은 열음향 장치의 작동을 최적화하기 위한 전기 제어 시스템에 관한 것이다.
펄스-튜브(pulse-tube) 냉동기는 대표적인 진행파(travelling-wave) 열음향 냉동기이다. 이러한 장치에서, 음향파는 가스를 통하여 이동한다. 가스의 압력 및 속도 진동은 장치의 특정 영역에서 대개 동일 위상이다. 따라서 이러한 장치는 일반적으로 진행파 장치라고 지칭된다.
음향 소스, 예를 들면, 이동 피스톤을 구비한 전자기계 변환기는 압축된 가스를 포함하는 밀봉된 인클로저(enclosure)에 진동하는 음향 에너지를 발생시킨다. 음향 에너지는, 예를 들면 열교환 유체를 통하여 주위 온도의 열 저장조에 일반적으로 연결되는 제1 열교환기인 "온" 열교환기, 재생적 열교환기 또는 "재생기(regenerator)", 및 예를 들면 열교환 유체를 통하여 냉동기에 의해 냉방되는 열 부하에 연결되는 다른 열교환기인 "냉" 열교환기를 통과한다. 일반적으로, 냉열교환기는 "펄스 튜브"로 불리는 다른 튜브 및 최후 주위 온도 열교환기, "주위" 열교환기에 의해 이어지고, 주위 열교환기는 냉열교환기를 격리시키는 역할을 하고, 따라서 냉동기의 기생하는 열 부하를 감소시킨다. "온" 열교환기 및 "주위" 열교환기는 종종 동일한 온도에 있다. "주위" 열교환기 후에, 종종 음향 부하는, 음향 에너지를 감소시키는, 음향 관성(inertance) 및 컴플라이언스(compliance)와 결합하는 오리피스(orifice)이다. 여기서 "열교환기"는, 열음향 장치 내의 가스와 공기 흐름과 같은 외부 유체 사이의 열을 교환시키는 장치를 의미하는 것으로 여겨진다.
정상 상태에서, 온도 기울기는 온열교환기로부터 냉열교환기로의 방향으로(벡터로서 고려된다면, 기울기는 반대 방향으로 될 것이다) 재생기에서 설정된다. 열은 가스와 재생기 재료, 종종 금속 또는 세라믹 다공성 재료 또는 메시 사이에서 거의 등온으로 이상적으로 전달된다. 진행파 음향 위상으로, 재생기의 가스는 거의 스털링 사이클을 수행한다. 이러한 방식으로, 소비되는 음향 에너지당 최대 열이 냉열교환기로부터 온열교환기로 이동될 수 있다.
공지된 형태의 루프형 진행파 열음향 냉동기 장치에서, 음향 부하는, 다르게는 부하에서 전자기계 변환기의 뒷면으로 소멸되는 음향 에너지의 일부를 전달하는 음향 섹션에 의해 대체되고, 따라서 주어진 냉방 전력에 요구되는 전기 입력 전력을 감소시키고, 그러므로 장치의 효율을 증가시킨다. 다른 구조에서, "과잉" 음향 전력은 제2 열음향 냉동기의 전자기계 변환기의 뒤로 전달되고, 전자기계 변환기의 부하는, 폐쇄 루프에서 제1 전자기계 드라이버의 후면으로 "과잉" 음향 전력을 전달하는 음향 섹션으로 유사하게 대체된다. 유사하게, 3개 이상의 열음향 냉동기 유닛이 폐쇄 루프에서 출력 대 출력으로 연결될 수 있다. 공지된 다른 장치에서, "과잉" 음향 전력은 전자기계 변환기의 정면으로 전달된다.
유사하게, 진행파 열음향 열기관은 열을 일로 변환시키는 장치이다. 이러한 장치에서, 열은 고온으로 유지되는 "온" 열교환기에 제공된다. "냉" 열교환기 및 "주위" 열교환기는 주위 또는 저온으로 유지된다. 인클로저의 진동하는 음향 에너지는 전력 변환기, 예를 들면, 전자기 변환기에 의해 전기 에너지로 변환된다.
열음향 냉각기 및 열기관의 온도는 거의 고정되지 않지만, 주위 조건, 열 가용성, 사용자 설정 등의 함수이다. 주어진 전력 및 진동수에서 작동될 때, 열음향 냉동기의 효율은 온, 냉, 주위 열교환기의 온도에 의해 변경된다. 유사하게, 주어진 전력 및 주어진 부하로 작동될 때, 열음향 열기관의 효율은 열기관의 온도에 의해 변경된다. 이러한 효과는, 루프형 냉동기 또는 엔진의 경우에 특히 중요하고, 이러한 시스템은, 재생기 내의 음향 이득 및 엔진의 경우에 부하에 영향을 주는, 장치가 작동하는 주위 환경의 온도, 여러 열교환기의 온도 등과 같은 작동 온도에 부분적으로 의존하여 공진 주파수로 공진하기 때문이다. 온도가 변함에 따라, 공진 주파수가 변하고 따라서 작동의 최적 주파수가 변한다. 펄스-튜브 냉동기와 유사한 장치의 경우에, 온도가 변함에 따라, 재생기 영역에서의 음향 전력의 위상이 변하고, 열 재생의 효과를 잠재적으로 감소시키고 따라서 장치의 효율을 감소시킨다. 그러므로 온도, 습도 등과 같은 작동 조건의 함수로서 효율을 최적화하도록 열음향 장치의 작동 양상을 제어하기 위한 장치 및 방법이 기술 분야에서 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 작동 온도, 주위 온도, 습도, 및 선택된 사용자 입력의 함수로서 효율을 최적화하기 위한 열음향 냉동기의 진동수 및/또는 입력 전력의 전기적 제어를 제공하기 위한 시스템 및 방법이 안내된다. 또한, 작동 온도, 주위 온도, 습도, 및 선택된 사용자 입력의 함수로서 효율을 최적화하기 위한 열음향 열기관의 부하의 임피던스의 전기적 제어를 제공하기 위한 시스템 및 방법이 안내된다.
열음향 장치가 작동 가스를 포함하는, 일반적으로 중공의 밀봉된 바디를 포함한다. 상기 바디 내에 배치된 재생기, 제1 열교환기, 제2 열교환기, 및 전자기계 드라이버가 배치된다. 전자기계 드라이버로부터의 음향 에너지는 바디 내로 보내진다. 각각의 열교환기는, 열음향 장치의 작동 동안에, 존재한다면, 바디 내부 및/또는 바디 외부의 열교환기에 근접한 온도 및/또는 열교환기 유체의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 제공될 수 있다. 또한, 주위 온도 센서가 열이 배출되는 장치의 주위 영역에서의 온도를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 추가적인 온도 센서가 냉방되는 공간의 온도를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 또한, 습도 센서가, 열이 배출되는 주위 영역 및/또는 냉방되는 공간에서의 상대 또는 절대 습도를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 제어부가 복수의 시간에서 전형적으로 측정된 다양한 센서로부터의 데이터를 수신하고, 이러한 신호와 사용자 입력을 기초로 제어 신호를 결정하고 제공한다. 제어 신호는 제어 신호에 따라 전자기계 드라이버를 구동하는 가변 진동수 드라이버에 제공된다. 이러한 방식으로, 열음향 장치의 작동은 열교환기 온도, 주위 온도, 및 주위 습도의 함수로서 적어도 부분적으로 제어된다. 그리고 나서, 열음향 장치의 작동은 사용시 최적화될 수 있다(예를 들면, 최소화된 구동 전력 요구량).
게다가, 바디 내의 음향 전력은 전기 에너지로 변환될 수 있고, 이러한 변환의 상태는 또한 제어 신호 내로 인자화될 수 있다. 또한, 음향 압력 및 가스 유동 속도를 측정하는 변환기는 바디 내에 배치될 수 있고, 이러한 센서의 출력은 제어 신호 내로 인자화될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템의 과거 상태는 제어 알고리즘으로 통합될 수 있다. 예를 들면, 특정 온도 신호가 증가 또는 감소하는 것은 추가 입력으로서 제어 신호 내로 인자화될 수 있다.
특정 실시예에서, 제어부는, 주위 온도 및 습도와 같은 독립적인 변수뿐만 아니라 냉각 온도 설정 포인트 및 다른 작동 파라미터와 같은 사용자 정의된 작동 파라미터가 진동수 및 구동 전류에 매치되는 룩업 테이블을 포함하는 메모리일 수 있고, 따라서 제어 신호는 룩업 테이블로부터 결정된다. 다른 실시예에서, 열교환 온도, 내부 압력 및 내부 가스 유량과 같은 종속 변수 및/또는 임의의 독립 또는 종속 변수의 과거 상태도 또한, 제어 신호를 결정하기 위한 룩업 테이블에 참조될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 룩업 테이블을 구비하거나 또는 구비하지 않은, 로직 또는 디지털 또는 아날로그 회로, 또는 이러한 요소 일부의 조합이 구동 진동수 및 전력을 포함하는 작동 파라미터를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 로직은, 장치의 전류 및 과거 상태에 의존하는 입력 변수의 서로 다른 조합을 가지는 여러 개의 룩업 테이블 사이를 교환하는 것과 같은 기능을 포함할 수 있다.
다수의 음향 변환기를 구비한 실시예에서, 제어부는 각각의 변환기에 대한 독립적인 구동 전력 및 전기 위상을 결정할 수 있다.
열음향 열기관의 작동은 본질적으로 전술한 바와 같으나, 전자기계 드라이버가 없다. 대신에, 음향 에너지 전환기가 바디 내에 제공된다. 음향 에너지 전환기에 연결된 부하의 임피던스는 열음향 열기관의 작동 상태를 부분적으로 제어한다. 제어 신호(다양한 작동 온도로부터 적어도 부분적으로 결정되는)는 부하의 임피던스를 결정하고, 따라서 열음향 열기관의 작동 효율을 제어한다.
상기 기재는 본 발명의 다양한 독특한 양상, 특성, 및 장점의 요약이다. 그러나 이러한 요약은 빠짐이 없는 것이 아니다. 따라서, 여기서 제공되는 청구항을 고려할 때, 본 발명의 이러한 그리고 다른 양상, 특징, 및 장점은 이하 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
본 발명에 따른 열음향 냉동기는 작동 온도, 주위 온도, 습도, 및 선택된 사용자 입력의 함수로서 열음향 냉동기의 진동수 및/또는 입력 전력을 제어하여 열음향 냉동기의 효율을 최적화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열음향 열기관은 작동 온도, 주위 온도, 습도, 및 선택된 사용자 입력의 함수로서 열음향 열기관의 부하의 임피던스를 제어하여 열음향 열기관의 효율을 최적화할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 냉동기의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 냉동기의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 냉동기의 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 열기관의 단면도이다.
도 5는, 도 4에 도시된 형태의 열음향 열기관에서 개발될 수 있는 일 형태의 부하 제어 회로의 개략도이다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 열기관의 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 형태의 열음향 열기관에서 개발될 수 있는 일 형태의 전력 결합기(power combiner) 회로의 개략도이다.
도 1은, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 냉동기(thermoacoustic refrigerator)(70)의 제1 실시예의 단면도이다. 도 1 및 이와 관련된 기재는 냉동기에 집중되지만, 여기서의 설명은 열펌프, 열기관, 및 특히, 여기서 추가로 기술되는 바와 같이, 열음향 장치의 다른 형태에 동일하게 적용되는 것이 이해될 수 있다.
열음향 냉동기(70)는 일반적으로 관 형상의 바디(72)를 포함한다. 바디(72)가 구성되는 재료는 본 발명의 적용에 따라서 변할 수 있다. 그러나 바디(72)(실제로, 여기서 기술되는 모든 바디)는 일반적으로, 열적 및 음향적으로 절연되고, 적어도 수 대기압의 가압에 저항할 수 있어야 한다. 바디(72)용 예시적인 재료는 스테인리스 강 또는 철-니켈-크롬 합금을 포함한다.
재생기(regenerator)(74)가 바디(72) 내에 배치된다. 재생기(74)(실제로, 여기서 기술되는 모든 재생기)는, 상대적으로 고열용량, 가스와 상호작용하는 넓은 접촉면적, 그러나 낮은 음향 감쇠를 제공하는, 임의의 다양한 재료 및 구조적 배치로 구성될 수 있다. 와이어 메시(wire mesh) 또는 스크린, 개포형(open-cell) 재료, 랜덤 섬유 메시 또는 스크린, 또는 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 다른 재료 및 배치가 채택될 수 있다. 재생기(74)를 포함하는 재료의 밀도는 일정할 수 있거나, 또는 재생기(74)의 길이방향 치수를 가로질러, 가스와 벽 사이의 상호 작용 영역, 및 음향 임피던스가 최적의 효율을 위해 맞춰지도록 길이방향 축을 따라 변할 수 있다. 재생기 설계의 세부사항은 선행 기술에 공지된 사항이고, 따라서 여기서 추가로 설명하지 않는다.
재생기(74)의 각각의 측 단부가, 각각 제1 열교환기(76) 및 제2 열교환기(78)에 인접해 있다. 열교환기(76, 78)(실제로, 여기서 기술되는 모든 열교환기)는 바디(72) 내로부터 이송 매체로 열 전달의 상대적으로 고효율을 제공하는, 임의의 다양한 재료 및 구조적 배치로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 열교환기(76, 78)는 가열되거나 냉각되는 유체를 수송하기 위한 하나 이상의 튜브가 될 수 있다. 열교환기(76, 78)는, 냉동기의 작동 동안에 유체 사이의 열적 에너지(가열 또는 냉각) 및 바디(72) 내의 가스를 효율적으로 전달하도록 재료로 형성되고, 크기로 만들어지고, 위치된다. 열전달을 향상시키기 위하여, 열교환기(76, 78)의 표면적은 핀 또는 선행 기술로 잘 알려진 다른 구조체로 증가될 수 있다. 열교환기(76, 78)에 각각 연결된 튜브(77, 79)는 냉동기(70) 외부의 열 저장조 또는 부하로부터 열교환기(76, 78)로 왕복하는 유체의 흐름을 허용한다. 열교환기 설계의 세부사항은 선행 기술에 공지된 사항이고, 따라서 여기서 추가로 설명하지 않는다.
선택적으로, 제3 열교환기(80)가 바디(72)의 일 단부 내에, 예를 들면, 열교환기(78)가 제3 열교환기(80)와 재생기(74) 사이에 위치되도록 배치될 수 있다. 제3 열교환기(80)는, 냉동기의 작동 동안에 유체 사이의 열적 에너지(가열 또는 냉각) 및 바디(72) 내의 가스를 효율적으로 전달하도록 재료로 형성되고, 크기로 만들어지고, 위치되는 하나 이상의 튜브와 같이, 제1 및 제2 열교환기(76, 78)와 유사한 구조가 될 수 있다. 튜브(81)는 냉동기(70) 외부의 열 저장조 또는 부하로부터 제3 열교환기(80)로 왕복하는 유체의 흐름을 허용한다.
전자기계 드라이버(82)(예를 들면, 음향파 소스)가 바디(72) 내에 제1 열교환기(76)에 근접하여 배치된다. 공지된 가동 코일(moving coil), 압전(piezo-electric), 정전기(tro-static), 리본(ribbon) 또는 다른 형태의 확성기(loudspeaker)와 같은 많은 다른 형태의 장치가 전자기계 드라이버(82)의 기능을 역할할 수 있다. 매우 효율적이고 진동수 조정가능하고 진동수 안정적인 스피커 설계가 바람직하고, 따라서 냉동기의 냉방 효율이 최대화될 수 있다.
가변 진동수 드라이버(variable frequency driver)(VFD)(84)가 전자기계 드라이버(82)에 연결된다. VFD(84)는 원하는 진동수 및 진폭에서 매우 높은 전환 효율로 전자기계 드라이버(82)를 구동할 수 있다. 오리피스(orifice)와 같은, 음향 에너지를 소멸시키는 음향 부하(73)가 제2 열교환기(78) 또는 제3 열교환기(80)에 인접한 바디(72)의 일부를 형성한다.
처음에, 헬륨과 같은 가스가 하우징(72) 내에 밀봉된다. VFD(84)로부터 진동하는 전기 전력이 가스의 음향 진동을 발생시키는 전자기계 드라이버(82)에 제공된다. 적당한 치수 선택, 하우징(72)과 재생기(74)용 재료 선택, 및 적합한 가스의 사용으로, 이와 같이, 거의 스털링 사이클(Stirling cycle)이 재생기(74) 영역에서 개시되고, 시스템이 정상 상태(steady state)에 도달할 때, 제1 열교환기(76)인 "온" 열교환기가 제2 열교환기(78)인 "냉" 열교환기보다 상대적으로 높은 온도가 되도록 재생기(74)의 온도 기울기를 확립시킨다.
스털링 사이클은 온열교환기로부터 냉열교환기로의 방향으로 이동하는 일정 부피의 냉각 가스를 포함하고, 냉동기로 열을 열 방출, 가스의 등온 팽창, 냉열교환기로부터 온열교환기로의 방향으로 이동하는 가스의 등적 가열, 재생기로부터 열 흡수 및 결과적인 가스의 등온 수축되고, 이 지점에서 가스는 최초 상태에 있고, 프로세스는 자체적으로 반복된다. 이러한 방식으로 열은 냉열교환기로부터 온열교환기로 이동된다. 재생기(74)는 열 에너지를 저장하는 역할을 하고, 에너지 전환의 효율을 상당히 향상시킨다.
VFD(84)가 전자기계 드라이버(82)를 구동하는 진동수 및/또는 진폭을 결정함에 있어 다양한 시스템과 주위 온도를 고려하기 위하여, 다수의 센서가 사용된다. 이러한 센서는, 주위 온도 및 습도와 같은 장치의 작동 상태에 거의 독립적인 양을 감지하는 센서, 및 내부 압력 진폭, 가스 유량, 가스 온도, 열교환 온도, 및 냉방되는 공간의 온도와 같은 장치의 작동 상태에 어느 정도 또는 거의 종속하는 양을 감지하는 센서의 두 가지 형태로 일반적으로 나누어질 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 따르면, 이러한 센서는, 열교환기(76)에 근접한 바디(72) 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(thermocouple)(89), 열교환기(76) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(88), 열교환기(78)에 근접한 바디(72) 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(91), 열교환기(78) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(90), 열교환기(80)에 근접한 바디(72) 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(93), 및 열교환기(80) 내부의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(92)와 같이 열전대 형태를 취한다. 온도 센서로서 열전대의 사용은 단지 구체적인 예시이고, 어떠한 형태의 온도 센서도 이용될 수 있다. 또한, 열전대, 온도계 등과 같은 주위 온도 센서(94)가 예를 들면, 냉동기에 의해 열이 배출되는 공간, 장치의 흡입구에 근접한 공간, 외부 온도 등에서의 주위 온도를 측정하기 위해 바디(72)에 근접하여 배치된다. 즉, 이러한 공간은 열음향 냉동기(70)에 물리적으로 근접하거나 또는 건물의 외부가 냉방되거나 또는 인접한 방(열음향 냉동기(70)가 방 냉방기인 경우에)으로 열음향 냉동기(70)로부터 물리적으로 이격될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 온도 센서(94)는 열음향 냉동기(70)에 근접하고, 다른 실시예에서, 예를 들면, 온도 센서는 냉방되는 방에 있지만 열음향 냉동기(70)에 근접할 필요는 없고, 또한 다른 실시예에서, 온도 센서(94)는 열음향 냉동기(70) 근처의 어디에도 있을 필요가 없다. 우리는 여기서 주위 온도와 냉방되는 공간 내부의 온도를 구별한다. 전자는 장치의 작동에 종속하지 않지만, 후자는 장치의 작동에 종속한다(즉, 장치는 온도를 낮춘다). 개념적으로, 그러므로 음향 냉동기(70)의 작동은 단지 냉방되는 방의 온도가 아니라 부분적으로 "외부" 온도의 함수가 될 수 있다.
게다가, 습도계(습도 센서)(96)가 냉동기에 의해 열이 배출되는 공간의 주위 습도를 측정하기 위해 바디(72)에 근접하여 배치될 수 있다. 또한, 습도계(96) 또는 추가 습도계는, 온도 센서(94)에 관하여 전술한 바와 같이, 주위 절대 또는 상대 습도를 측정하도록 위치될 수 있다. 다양한 열전대, 온도계, 및 습도계가 기술되고 도 1에 도시되어 있지만, 이러한 구성의 대다수는 선택적이고, 우리는 단일 온도계, 열전대, 또는 유사한 센서(89)를 포함하는 최소한의 실시예를 제안하는 점을 유의해야 한다. 이러한 단일 온도계, 열전대, 또는 유사한 센서는 바디(72) 영역, 열음향 장치의 외부 및 상기 열음향 장치가 작동하는 영역, 열교환기 중 하나 등에서의 온도를 측정할 수 있다. 게다가, 추가 열전대, 온도계, 습도 센서, 및 압력 및 유동 센서 등과 같은 다른 센서가 본 발명의 목적 및 범위를 벗어나지 않고, 다양한 조합으로 제공될 수 있다.
각각의 열전대(86, 88, 90, 92), 온도계(94), 및 습도계(96)(뿐만 아니라 다른 센서 장치)는 제어부(98)에 데이터 신호를 제공하기 위하여 연결된다. 제어부(98)는, 효율 및 냉방 전력을 최적화하기 위하여 전자기계 드라이버(82)의 진동수, 입력 전력, 전류, 및/또는 전압을 제어하는(가변시키는) VFD(84)를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키기 위하여 다양한 온도, 습도, 및 다른 측정값을 사용한다. 제어부(98)는 열음향 냉동기(70)의 작동 동안에 주기적으로 다양한 변수를 표본 조사할 수 있고, 작동 조건 및 주위 조건의 변화를 처리하고, 따라서 최적 또는 선택된 효율을 유지하기 위하여 주기적으로 갱신된 제어 신호를 VFD(84)에 제공할 수 있다. 따라서 제어부(98)는 다수의 온도 데이터 신호로부터 적어도 부분적으로 제어 신호를 발생시킬 수 있고, 제어 신호를 기초로 하는 전자기계 드라이버(82)의 작동이 상기 열음향 냉동기(70)의 최적화된 작동 효율을 제공하도록, 신호가 열음향 냉동기(70)의 작동 동안에 여러 번 얻어진다. 대안적으로, 열전대(86, 88, 90, 02), 온도계(94), 및 습도계(96)(뿐만 아니라 다른 센서 장치)로부터 온도가 열음향 냉동기(70)의 작동 동안에 간격을 두고 제어부(98)에 제공되도록, 다른 장치가 제공될 수 있다.
제어부(98)로의 추가 입력은 조정가능한 사용자 파라미터(99)가 될 수 있다. 이러한 사용자 파라미터는 열음향 냉동기(70)의 원하는 냉방 전력, 최대 전력 소비량, 원하는 냉방 온도 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(98)는, 주위 온도로부터 진동수 및 전력의 맵핑(mapping)을 포함하는 룩업(lookup) 테이블에 따라 전자기계 변환기(82)의 진동수 및/또는 전력을 가변시키기 위해 프로그램된 로직을 포함한다. 예를 들면, 전력은 고정된 상태로 될 수 있고, 진동수는 주위 온도 증가에 따라서 증가하도록 만들어질 수 있다. 모델링되었던 구체적인 일 예에서, 냉열교환기(78)의 온도(열전대(90)에 의해 측정된)가 299.8K이고, 온열교환기(76) 및 주위 열교환기(80)의 온도(각각, 열전대(88, 92)에서 측정된)가 모두 308.2K일 때, 입력 전력 12.9와트에 대한 최적 진동수는 60Hz가 되는 것으로 알려졌다. 그러나 온열교환기(76) 및 주위 열교환기(80)의 온도가 318.2K로 증가할 때, 입력 전력 12.9와트에 대한 최적 진동수는 61.2Hz로 증가한다. 유지 전력은 입력 전류를 1.14암페어로부터 1.18암페어로 증가시키는 것을 필요로 한다. 이러한 맵에 대응하는 룩업 테이블의 구성이 표 1에 도시되어 있다.
"온"열교환기
(K)		 "냉"열교환기
(K)		 "주위"열교환기(K) ...
(추가 파라미터)		 구동 전류
(암페어)		 구동 진동수
(Hz)
...
308.2 299.8 308.2 ... 1.14 60
318.2 299.8 318.2 ... 1.18 61.2
...
일 실시예에서, 제어부는 임베디드 마이크로프로세서 및 아날로그-디지털 변환기와 디지털-아날로그 변환기로 실행될 수 있다. 다른 실시예에서, VFD, 및 트랜지스터 증폭기와 다른 전자 부품의 조합으로 이루어진 완전한 아날로그 솔루션이 사용될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 아날로그와 디지털 로직의 조합이 사용될 수 있다. 제어 시스템 설계의 통상의 기술자에 잘 알려진 바와 같이, 피드백 제어 시스템, 즉, 장치의 작동 상태에 종속하는 입력 변수를 사용하는 제어 시스템과 시스템의 과정 상태의 메모리를 구비한 제어 시스템은 특정 조건 하에서만 정상 상태 작동을 달성할 수 있다. 다른 조건 하에서는, 제어 시스템은 다른 상태 사이에서 진동하거나 또는 원하는 상태로 "캡처" 또는 "고정(lock)"하는 것을 실패할 수 있다. 따라서, 여기서 기술되는 시스템의 제어부가 록업 테이블보다 더 관여된 입력, 로직 및 제어로서 종속 또는 내력 변수를 사용하는 실시예는 정상 상태 작동을 보장하는 것이 요구될 수 있다. 예를 들면, 시스템의 최초 상태가 장치의 캡처 범위를 벗어나면, 시스템이 사용자 정의 설정 점에 근접하도록 제어 시스템은 단독의 독립 변수로부터 독립 변수 및 종속 변수의 조합을 이용하는 것으로 변환하도록 설계될 수 있다.
추가 예에 따르면, 압력 진폭과 같은 일부 변수는 작동 파라미터의 변경에 상대적으로 신속하게 대응하지만, 냉방되는 공간의 온도와 같은 다른 변수는 상대적으로 긴 시간 지연으로 작동 파라미터 변경에 대응한다. 진동을 방지하기 위하여, 제어부는 압력 진폭 변경보다 더욱 천천히 냉방되는 공간의 온도의 변경에 반응하여야 한다.
또한, 추가 예에 따르면, 표 1의 룩업 테이블을 구비한 장치를 고려한다. 이러한 룩업 테이블은 열교환 온도의 모든 조합에 대한 개체를 가질 수 없다. 이러한 경우에, 제어부는, 온도가 룩업 테이블의 설정에 도달할 때까지, 냉동기를 특정 디폴트 진동수 및 전력으로 작동시키는 로직을 가질 수 있고, 장치는 "잠금"이 되도록 설정되고, 제어부는 작동 파라미터를 정의하기 위하여 룩업 테이블을 사용하기 시작할 것이다.
일반적으로, 이러한 제어부를 설계하기 위한 기술은 피드백 제어 시스템 설계의 통상의 기술자에게 잘 알려진 것이다.
최적의 진동수 및 전력은 열음향 장치마다 다를 것이다. 또한, 최적의 진동수 및 전력은 냉방 전력과 같은 사용자 기호에 따라 다를 것이다. 일 실시예에서, 제어부(98)는 구체적인 열음향 장치로(예를 들면, 구체적인 치수, 재료 등) 설계된다. 다른 실시예에서, 제어부(98)는 다양한 장치로 사용하기 위해 구성될 수 있다. 예를 들면, 룩업 테이블은 플래시 메모리와 같은, 재기록 가능한 메모리에 저장될 수 있고, 각각의 장치용으로 재프로그램될 수 있다. 룩업 테이블은 주어진 유닛에 고정될 필요는 없지만, 유닛이 다른 방, 다른 조건 등으로 이동되면 변경될 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 제어부는 동일한 형태(예를 들면, 동일한 냉방 전력)의 장치 사이에서 상호교환가능할 수 있고, 제어부는 다른 형태의 장치(예를 들면, 1kW 단위 및 10kW 단위) 사이에서 상호교환가능할 수 있고, 및/또는 현재 장치는 센서 및 제어부로 개조될 수 있다.
다른 실시예에서, 제어부(98)는 효율 및/또는 전력을 최적화하기 위하여 피드백 루프를 사용한다. 외부 온도 및 습도와 같은 일부 감지된 파라미터, 및 온도 설정점을 포함하는 사용자 설정값은 제어부 출력에 독립적이다. 열교환기(76, 78, 80)의 내부 온도, 내부 압력, 및 유동 속도와 같은, 다른 파라미터는 VFD(84)의 진동수 및 전력이 변경되면서 가변될 수 있다. 따라서 피드백 실시예에서, 바디(72) 내에 위치되는 압력 및 유동 속도 센서(도시되지 않음)와 같은 추가 센서, 및 VFD(84)의 상태 측정(VFD(84)와 제어부(98)를 연결하는 점선으로 도시된)이 이용된다. "피드백" 시스템은 이러한 후자 값을 이용한다. "피드포워드(feedforward)" 시스템은 단지 전자만 사용한다.
피드백 시스템은 안정적이지 않는 반면에, 피드포워드 시스템은 일반적으로 안정적일 것이다. 따라서 피드백을 구비한 제어 시스템은 더욱 복잡한 프로세스를 의미한다. 예를 들면, 단지 피드포워드 형태의(즉, 독립적) 입력만 사용하여 시작된다. 일단 시스템은 정상 상태에 도달하면, 그리고 나서 시스템은 피드백 시스템을 실행한다.
도 2는, 작동 온도, 주위 온도, 습도의 함수로서 최적화한 효율을 위한 제어 회로, 및 선택된 사용자 입력을 포함하는 열음향 냉동기(100)의 제2 실시예의 단면도이다. 열음향 냉동기(100)는 일반적으로 관 형상의 바디(102)를 포함한다. 재생기(104)는 바디(102) 내에 배치된다.
재생기(104)의 각각의 측 단부가, 각각 제1 열교환기(106) 및 제2 열교환기(108)에 인접해 있다. 열교환기(106, 108)는 바디(102) 내로부터 이송 매체로 열 전달의 상대적으로 고효율을 제공하는, 임의의 다양한 재료 및 구조적 배치로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 열교환기(106, 108)는 가열되거나 냉각되는 유체를 수송하기 위한 하나 이상의 튜브가 될 수 있다. 열교환기(106, 108)는, 냉동기의 작동 동안에 유체 사이의 열적 에너지(가열 또는 냉각) 및 바디(102) 내의 가스를 효율적으로 전달하도록 재료로 형성되고, 크기로 만들어지고, 위치된다. 열전달을 향상시키기 위하여, 열교환기(106, 108)의 표면적은 핀 또는 선행 기술로 잘 알려진 다른 구조체로 증가될 수 있다. 튜브(110, 112)는 냉동기(100) 외부의 열 저장조 또는 부하로부터 열교환기(106, 108)로 왕복하는 유체의 흐름을 허용한다.
선택적으로, 제3 열교환기(114)가 바디(102)의 일 단부 내에, 예를 들면, 열교환기(108)가 제3 열교환기(114)와 재생기(104) 사이에 위치되도록 배치될 수 있다. 제3 열교환기(114)는, 냉동기의 작동 동안에 유체 사이의 열적 에너지(가열 또는 냉각) 및 바디(102) 내의 가스를 효율적으로 전달하도록 재료로 형성되고, 크기로 만들어지고, 위치되는 하나 이상의 튜브와 같이, 제1 및 제2 열교환기(106, 108)와 유사한 구조가 될 수 있다. 튜브(116)는 냉동기(100) 외부의 열 저장조 또는 부하로부터 제3 열교환기(114)로 왕복하는 유체의 흐름을 허용한다.
전자기계 드라이버(120)(예를 들면, 음향파 소스)가 바디(102)의 제1 길이방향 단부에 배치되고, 음향 변환기(122)가 상기 재생기(104)에 대해 상기 전자기계 드라이버(120)의 반대편인 바디(102)의 제2 길이방향 단부에 배치된다. 공지된 가동 코일, 압전, 정전기, 리본 또는 다른 형태의 확성기와 같은 많은 다른 형태의 장치가 전자기계 드라이버(120)의 기능을 역할할 수 있다. 매우 효율적이고 컴팩트하고 진동수 조정가능하고 진동수 안정적인 스피커 설계가 바람직하고, 따라서 냉동기의 냉방 효율이 최대화될 수 있다.
똑같이, 많은 다른 형태의 장치가 음향 변환기(122)의 기능을 역할할 수 있다. 공지된 정전기, 전자기, 압전, 또는 다른 형태의 마이크로폰 또는 압력 변환기가 음향 변환기(122)를 형성할 수 있다. 또한, 가스-스프링, 컴플라이언스(compliance) 요소, 음향 관성(inertance) 요소, 또는 다른 음향 요소가 또한 변환기(122)의 기능을 향상시키기 위하여 이용될 수 있다. 다시, 효율이 음향 변환기(122)의 바람직한 속성이고, 따라서 냉동기의 냉방 효율이 최대화될 수 있다.
가변 진동수 드라이버(VFD)(126)가 결합기(combiner)(128)(공지 기술로 알려진 형태의)에 입력으로서 연결된다. VFD(126)는 원하는 진동수 및 진폭에서 매우 높은 전환 효율로 전자기계 드라이버(120)를 구동할 수 있다. 결합기(128)의 출력은 임피던스 회로(Z1)에 입력을 형성한다. 임피던스 회로(Z1)의 출력은 음향 소스(120)의 입력을 형성한다. 제2 임피던스 회로(Z2)의 출력은 결합기(128)에 입력으로써 연결된다. 음향 변환기(122)로부터 출력은 임피던스 회로(Z2)에 입력으로써 제공된다. 임피던스 회로(Z1, Z2)의 역할은, 원하는 진동수와 위상에서 전자기계 드라이버(120)를 효율적으로 구동하도록 시스템 임피던스를 맞추는 것이다. 또한, 선행 기술에서 잘 이해되는 바와 같이, 위상 지연 회로(Φ(w))가 원하는 위상을 달성하기 위하여 이용될 수 있다.
작용시, VFD(126)로부터의 진동하는 전기 전력은 하우징(102) 내에 밀봉된 헬륨 같은 가스에서 음향 진동을 발생시키는 전자기계 드라이버(120)에 제공된다. 적당한 치수 선택, 하우징(102)과 재생기(104)용 재료 선택, 및 적합한 가스의 사용으로, 이와 같이, 거의 스털링 사이클이 재생기(104) 영역에서 개시되고, 시스템이 정상 상태에 도달할 때, 제1 열교환기(106)인 "온" 열교환기가 제2 열교환기(108)인 "냉" 열교환기보다 상대적으로 높은 온도가 되도록 재생기(104)의 온도 기울기를 확립시킨다. 재생기(104)는 열 에너지를 저장하는 역할을 하고, 에너지 전환의 효율을 상당히 향상시킨다.
VFD(126)가 전자기계 드라이버(120)를 구동하는 진동수 및/또는 진폭을 결정함에 있어 다양한 시스템과 주위 온도를 고려하기 위하여, 다수의 센싱 장치가 사용된다(다시, 주위 온도 및 습도와 같은 장치의 작동 상태에 거의 독립적인 양을 감지하는 센서, 및 내부 압력 진폭, 가스 유량, 가스 온도, 열교환 온도, 및 냉방되는 공간의 온도와 같은 장치의 작동 상태에 어느 정도 또는 거의 종속하는 양을 감지하는 센서의 두 가지 형태로 일반적으로 나누어짐). 도 2의 실시예에서, 센서는, 제1 열교환기(106)에 근접한 바디(102) 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(140), 열교환기(106) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(142), 열교환기(108) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(144), 제2 열교환기(108)에 근접한 바디(102) 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(145), 열교환기(114) 내부의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(146), 및 제3 열교환기(114)에 근접한 바디(102) 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(147)와 같은 열전대이다. 다시, 온도 센서로서 열전대의 사용은 단지 구체적인 예시이고, 어떠한 형태의 온도 센서도 이용될 수 있다.
열전대 또는 온도계 등과 같은 온도 센서(148)가 냉동기에 의해 열이 배출되는 공간의 주위 온도를 측정하기 위해 배치된다. 게다가, 습도계(습도 센서)(150)가 냉동기에 의해 열이 배출되는 공간의 주위 습도를 측정하기 위해 배치될 수 있다. 다양한 열전대, 온도계, 및 습도계가 기술되고 도 1에 도시되어 있지만, 이러한 구성의 대다수는 선택적이고, 최소한의 실시예는 단일 온도계, 열전대, 또는 다른 센서를 포함하는 점을 유의해야 한다. 게다가, 추가 열전대, 온도계, 습도 센서, 및 내부 압력 센서 등과 같은 다른 온도 관련 센서가 본 발명의 목적 및 범위를 벗어나지 않고, 다양한 조합으로 제공될 수 있다.
각각의 열전대(140, 142, 144, 146), 온도계(148), 및 습도계(150)(뿐만 아니라 다른 센서 장치)는 제어부(152)에 데이터를 제공하기 위하여 연결된다. 제어부(152)는, 효율 및 냉방 전력을 최적화하기 위하여 전자기계 드라이버(120)의 진동수, 입력 전력, 전류, 및/또는 전압을 제어하는(가변시키는) VFD(126)를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키기 위하여 다양한 온도, 습도, 및 다른 측정값을 사용한다. 또한, 제어부(152)는 위상(Φ(w)) 및 임피던스(Z1, Z2)를 제어할 수 있다.
제어부(152)로의 추가 입력은 조정가능한 사용자 파라미터(154)가 될 수 있다. 이러한 사용자 파라미터는 열음향 냉동기(100)의 원하는 냉방 전력, 최대 전력 소비량, 원하는 냉방 온도 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(152)는, 주위 온도로부터 진동수 및 전력의 맵핑을 포함하는 룩업 테이블에 따라 전자기계 변환기(120)의 진동수 및/또는 전력을 가변시키기 위해 프로그램된 로직을 포함한다. 예를 들면, 전력은 고정된 상태로 될 수 있고, 진동수는 주위 온도 증가에 따라서 증가하도록 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 룩업 테이블은 임베디드 마이크로프로세서 및 아날로그-디지털 변환기와 디지털-아날로그 변환기로 실행될 수 있다. 다른 실시예에서, VFD, 및 트랜지스터 증폭기와 다른 전자 부품의 조합으로 이루어진 완전히 아날로그 솔루션이 사용될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 아날로그와 디지털 로직의 조합이 사용될 수 있다.
최적의 진동수 및 전력은 열음향 장치마다 다를 것이다. 또한, 최적의 진동수 및 전력은 냉방 전력과 같은 사용자 기호에 따라 다를 것이다. 따라서 사용자가 예를 들면, 소프트웨어 인터페이스(도시되지 않음)를 통하여 제어부(152)로 다양한 입력(154)을 통한 제어를 제공할 수 있다.
피드백 실시예에서, 바디(102) 내에 위치되는 압력 및 유동 속도 센서(도시되지 않음)와 같은 추가 센서, 및 VFD(126)의 상태 측정, 및/또는 변환기(122)의 출력 측정이 이용된다.
전술한 배치는 열음향 냉동기의 다른 배열로 확대될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 도 3은 이러한 변형의 일 예를 도시한다. 도 3에 도시된 열음향 냉동기(200)는 연속적으로 연결된 냉각 단계를 구비한 폐쇄 루프 장치이다. 간단히, 이러한 시스템은 2 이상의 냉각 단계(202a, 202b)를 포함하고, 각 냉각 단계는, 전술한 바와 같이 실질적으로 배치되는, 전자기계 드라이버(204a, 204b), 제1 열교환기(206a, 206b), 재생기(208a, 208b), 제2 열교환기(210a, 210b), 및 선택적 제3 열교환기(212a, 212b)를 포함한다. 각 냉각 단계(202a, 202b)는, 연속하여 다음 상태의 전자기계 드라이버의 후면 측에 연결된 음향 전송 라인(214a, 214b)(일 실시예에서는, 음향파가 이동할 수 있는 채널임)을 더 포함한다.
도 3에 도시된 실시예에 따르면, 열전대(222a, 224a, 226a)는 열교환기(206a, 210a, 212a) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위해 각각 제공된다. 열전대(221a, 223a, 225a)는 열교환기(206a, 210a, 212a)에 근접한 온도를 측정하기 위해 각각 제공된다. 유사하게, 열전대(222b, 224b, 226b)는 열교환기(206b, 201b, 212b) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위해 각각 제공된다. 그리고 열전대(221b, 223b, 225b)는 열교환기(206b, 210b, 212b)에 근접한 온도를 측정하기 위해 각각 제공된다.
또한, 온도계(228)가 냉동기에 의해 열이 배출되는 공간에서의 주위 온도를 측정하기 위해 배치된다. 게다가, 습도계(습도 센서)(230)가 냉동기에 의해 열이 배출되는 공간에서의 주위 습도를 측정하기 위해 배치된다. 한번 더, 다양한 위치에서 온도 및 습도 체크가 여기서 제안되었지만, 많은 부분은 선택 사항이고 다수의 다른 조합 및 추가적인 측정이 가능하고 여기서 고려된다.
각각의 열전대, 온도계(228), 및 습도계(230)(다른 센서 장치뿐만 아니라)는 제어부(232)에 데이터를 제공한다. 제어부(232)는, 효율 또는 냉방 전력을 최적화하기 위하여 전자기계 드라이버(204a, 204b)에 제공되는 진동수, 상대 위상, 입력 전력, 전류, 및/또는 전압, 및/또는 전자기계 드라이버의 전류 및/또는 전압의 상대 위상을 제어하는(가변시키는) VFD(234a, 234b)를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키기 위하여 온도, 습도, 및 다른 측정값을 사용한다. 제어부(232)는 VFD(234a, 234b)를 독립적으로 제어하는 것이 가능하다는 점을 유의해야하고, 따라서 단계(202a, 202b) 사이의 재료, 치수, 위치 및 다른 변수의 차이를 보상한다.
제어부(232)로의 추가 입력은 조정가능한 사용자 파라미터(236)가 될 수 있다. 이러한 사용자 입력 파라미터는 열음향 냉동기(200)에 대한 원하는 냉방 전력, 최대 전력 소비량, 원하는 냉방 온도 등을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 제어부(232)는, 온도로부터 진동수, 전력, 및 각 단계의 위상의 맵핑을 포함하는 룩업 테이블에 따른 전자기계 변환기(204a, 204b)의 진동수 및/또는 전력 및/또는 전류 위상을 가변시키기 위해 프로그램된(그리고 선택적으로, 재프로그램 가능한) 로직을 포함한다. 다른 실시예에서, VFD, 및 트랜지스터 증폭기와 각 단계(202a, 202b)용 다른 전자 부품의 조합으로 이루어진 완전한 아날로그 솔루션이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 아날로그와 디지털 로직의 조합이 사용될 수 있다.
제어부(232)에 추가적, 선택적 입력은 VFD(234a, 234b)로부터의 피드백, 및 바디(201) 내에 위치된 압력 및 유동 속도 센서(도시되지 않음)와 같은 추가 센서로부터의 데이터이다. 전술한 바와 같이, 피드백 루프가 열음향 냉동기(200)의 효율 및/또는 사용 전력을 더욱 최적화하고 작업 안정성을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
상기 기재는 열음향 냉동기용 최적화 제어에 관한 것이었지만, 여기서 기재되는 일반적인 원리는 열음향 열기관에 동일하게 적용될 수 있다. 도 4는 이러한 일반적인 원리를 포함하는 열음향 열기관(300)의 일 실시예의 단면도이다. 열음향 열기관(300)의 다수의 구성 요소는 공지되었지만, 간단하게, 열음향 열기관은 거기에 위치된 냉동기(304)를 가지는, 중공의, 루프되고, 밀봉된 바디 구조체(302)를 포함한다. 냉동기는 일 단부에서 제1 열교환기(306), 일반적으로 "냉" 열교환기에 근접하고, 반대 단부에서 제2 열교환기(308), 일반적으로 "온" 열교환기에 근접한다. 일반적으로 주위 온도에서 제3 열교환기(310)가 선택적으로 제공될 수 있다. 공진기(resonator)(312)가 중공 바디 구조체(302)의 연장 형태로 제공된다. 바디 구조체(302)는 압축된 공기로 채워진다. 냉동기(304)를 가로질러 즉, 냉열교환기(306)와 온열교환기(308) 사이의 온도 차가 유발되어, 가스에 국부 열전달을 가한다. 재생기 영역에서 압력파 형태의 음향 에너지는 가스에 주기적인 국부 압축 및 팽창을 가한다. 양호한 음향 조건 하에서, 가스는 재생기(304)에서 거의 스털링 사이클을 효과적으로 수행한다.
유체 저항 손실을 감소시키기 위하여 재생기(304)에서 커다란 음향 임피던스를 가지는 것이 바람직하다. 그러므로 공지된 열음향 열기관의 일군은 이러한 커다란 음향 임피던스를 달성하기 위하여 음향 공진기 및/또는 음향 피드백 네트워크(314)를 사용한다. 그러나 이러한 네트워크는 사용에 적합하지 않고, 작동을 최적화하기 위하여 열기관의 작동 조건을 고려하지 않는다.
따라서, 도 4에 도시된 실시예는, 열음향 열기관(300)의 효율 및 작동을 최적화하기 위하여 예를 들면, 장치의 공진 진동수를 변경함으로써 임피던스 튜닝(부하)을 제공하는, 전자기계 변환기(316)와 같은 가변 음향 임피던스가 구비된다. 필수적으로, 바디(302) 내의 압력파 에너지의 제어가능한 부분이 다양한 시스템, 주위 온도, 및 작동 조건에 의존하여 전자기계 변환기(316)에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다.
진동수 및 임피던스 튜닝에 관한 전자기계 변환기(316)의 작동을 결정함에 있어 다양한 시스템 및 주위 온도를 고려하기 위하여, 다수의 온도 센서가 이용된다. 도 4에 도시된 실시예에 따르면, 이러한 센서는 각각 열교환기(306, 308, 310) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(322, 324, 326)와 같은 열전대 형태를 가진다. 추가로 각각 열교환기(306, 308, 310)에 근접한 바디(302) 내의 온도를 측정하기 위한 열전대(321, 323, 325)가 제공된다.
또한, 온도계(328)가 열기관에 의해 열이 배출되는 공간에서의 주위 온도를 측정하기 위해 바디(302)에 근접하여 배치된다. 게다가, 습도계(습도 센서)(330)가 열기관에 의해 열이 배출되는 공간에서의 주위 습도를 측정하기 위해 바디(302)에 근접하여 배치된다. 한번 더, 다양한 위치에서 온도 및 습도 체크가 여기서 제안되었지만, 많은 부분은 선택 사항이고 다수의 다른 조합 및 추가가 가능하고 여기서 고려된다.
각각의 열전대, 온도계(328), 및 습도계(330)(다른 센서 장치뿐만 아니라)는 데이터를 제어부(332)에 제공하기 위해 연결된다. 제어부(332)는, 전자기계 변환기(316)에 연결되어, 이하 더욱 상세하게 기술되는 부하 제어 회로(324)를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키기 위하여 다양한 온도, 습도, 및 다른 측정값을 사용한다. 부하 제어 회로(324)는 전자기계 변환기(316)에 의해 제공되는 부하를 제어하고(가변시키고), 따라서 가열 효율을 최적화하기 위하여 열음향 열기관(300) 내의 임피던스를 조정한다.
제어부(332)로의 추가 입력은 조정가능한 사용자 파라미터(336)가 될 수 있다. 이러한 사용자 입력 파라미터는 열음향 열기관(300)에 관한 원하는 가열, 효율 인자 등을 포함한다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 제어부(332), 온도로부터 부하의 맵핑을 포함하는 룩업 테이블에 따른 부하 제어 회로(334)를 제어하기 위해 프로그램된(그리고 선택적으로, 재프로그램 가능한) 로직을 포함한다. 다른 실시예에서, 부하 제어 회로(334), 및 트랜지스터 증폭기와 다른 전자 부품의 조합으로 이루어진 아날로그 솔루션이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 아날로그와 디지털 로직의 조합이 사용될 수 있다.
도 5는 도 4의 열음향 열기관(300)에서 채택될 수 있는 형태의 부하 제어 회로(334)의 일 예를 도시한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 제어부(332)의 제어 하에 가변 탭 변압기 회로(transformer circuit)의 일 형태가 도시된다. 버랙터 회로(varactor circuit) 등과 같은 다수의 다른 회로 장치가 또한 본 발명의 목적 및 범위를 벗어나지 않고 채택될 수 있다. 전자기계 변환기(316)는 부하 제어 회로(334)에 Sn, Tn에서 연결된다. 전자기계 변환기(316)에 의해 약화된 전력의 적어도 일부분이 Un, Vn에서 부하 제어 회로(334)의 출력으로 사용 가능하고, Un, Vn이 연결된 시스템(350)은 전자기계 변환기(316)의 임피던스에 부분적으로 영향을 줄 것이다. 따라서, 일 실시예에서, 제어부(332)가 최적화된 제어 신호를 부하 제어 회로(334)에 제공할 수 있도록, 피드백 신호가 시스템(350)으로부터 제어부(332)로 다시 제공된다.
전술한 배치는 열음향 열기관의 다른 구조로 확장될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 6은 이러한 대안의 일 예, 이 경우에, 2-단계 루프형 열기관(500)을 도시한다. 간단히, 이러한 시스템은 대략 2개의 가열 단계(504a, 504b)(2 이상의 단계도 본 발명의 범위 내에 있지만)로 분리되는 하우징(502)을 포함한다. 전술한 기재와 동일하게 위치되고 작동되는 제1 열교환기(506a, 506b), 재생기(508a, 508b), 제2 열교환기(510a, 510b), 선택적인 제3 열교환기(512a, 512b)가 각각의 단계(504a, 504b)에 배치된다. 또한, 각 단계는 전자기계 변환기(514a, 514b) 내에 배치된다. 각 단계(504a, 504b)는, 연속하여 다음 상태의 전자기계 변환기의 후면 측에 연결된 음향 전송 라인(516a, 516b)(일 실시예에서, 음향 전송 라인은, 음향파가 통과할 수 있는 채널인)을 더 포함한다.
도 6에 도시된 실시예에 따르면, 각각의 열교환기(506a, 506b) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(520a, 520b); 각각의 열교환기(510a, 510b) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(522a, 522b); 및 선택적으로, 각각의 열교환기(512a, 512b) 내의 열교환 유체의 온도를 측정하기 위한 열전대(524a, 524b)를 포함한다. 게다가, 열전대(519a, 521a, 523a)는 각각의 열교환기(506a, 510a, 512a)에 근접한 바디(501) 내의 온도를 측정하기 위해 제공된다. 더 나아가, 열전대(519b, 521b, 523b)는 각각의 열교환기(506b, 510b, 512b)에 근접한 바디(501) 내의 온도를 측정하기 위해 제공된다.
온도계(528)가, 열기관에 의해 열이 배출되는 공간에서의 주위 온도를 측정하기 위한 열음향 냉동기(500)에 근접하여 배치된다. 게다가, 습도계(습도 센서)(530)가 열기관에 의해 열이 배출되는 공간에서의 주위 습도를 측정하기 위해 열음향 냉동기(500)에 근접하여 배치된다. 한번 더, 다양한 위치에서 온도 및 습도 체크가 여기서 제안되었지만, 많은 부분은 선택 사항이고 다수의 다른 조합 및 추가적인 측정이 가능하고 여기서 고려된다. 우리는, 열전대(518a, 518b)를 포함할 수 있는 최소한의 실시예를 제안한다. 추가적인 열전대, 온도계, 및 압력 세선 등과 같은 다른 온도 관련 센서가 본 발명의 목적 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 조합으로 제공될 수 있다.
각각의 열전대, 온도계(528), 및 습도계(530)(다른 센서 장치뿐만 아니라)는 제어부(532)에 데이터를 제공한다. 제어부(532)는, 각각의 전자기계 변환기(514a, 514b)의 탭(s, t)에 연결되는 부하 제어 회로(도시되지 않음)를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키기 위하여 온도, 습도, 및 다른 측정값을 사용한다. 제어부(532)는 전자기계 변환기(514a, 514b)의 독립적인 부하 조정을 위한 각각의 부하 제어 회로를 독립적으로 제어하는 것이 가능하다는 점을 유의해야하고, 따라서 단계(504a, 504b) 사이의 재료, 치수, 위치 및 다른 변수의 차이를 보상한다.
제어부(532)로의 추가 입력은 조정가능한 사용자 파라미터(534)가 될 수 있다. 이러한 사용자 입력 파라미터는 열음향 열기관(500)의 원하는 열 소비량, 출력 전력 등을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 제어부(532)는, 온도로부터 각 단계의 부하의 맵핑을 포함하는 룩업 테이블에 따른 전자기계 변환기(514a, 514b)의 부하 제어 회로를 제어하기 위해 프로그램된(그리고 선택적으로, 재프로그램 가능한) 로직을 포함한다. 다른 실시예에서, 부하 제어 회로, 및 트랜지스터 증폭기와 다른 전자 부품의 조합으로 이루어진 아날로그 솔루션이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 아날로그와 디지털 로직의 조합이 사용될 수 있다.
다시, 전자기계 변환기(514a, 514b)에 의해 약화된 적어도 일부 전력이 유용한 작업을 수행하는데 사용될 수 있다. n-단계 열음향 기관의 경우에, 이러한 전력을 제공하는 n개의 전자기계 변환기만큼이 될 수 있다. 이러한 전자기계 변환기로부터의 출력은, 작업을 수행하기 위한 시스템(도시되지 않음)에 연결을 위하여 단일 출력 쌍(x, y)을 제공하기 위해 도 7에 도시된 결합기 회로(352)에 결합될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, x, y에 연결된 시스템은 n-단계 열기관에서 전자기계 변환기의 진동수 및 임피던스에 부분적으로 영향을 줄 것이다. 따라서, 일 실시예에서, 최적화된 제어 신호가 다양한 부하 제어 회로(도 5의 부하 제어 회로(334)와 같은)에 제공할 수 있도록, 피드백 신호가 그 시스템으로부터 제어부(도 6의 제어부(532)와 같은)로 다시 제공된다.
청구항 한정은 본 발명의 이러한 한정부를 포함하는 경계를 형성하고자 함이다. 이것을 더욱 강조하기 위하여, 용어 "실질적으로"는 청구항 한정과 관련하여(변경 및 결함에 대한 고려가 이러한 용어가 함께 사용된 이러한 한정부에만 제한되는 것은 아니지만) 여기서 때때로 사용될 수 있다. 본 발명 자체의 한정을 정확하게 정의하는 것이 어려운 만큼, 우리는 이러한 용어가 "큰 정도로", "거의 실현 가능한 만큼", "기술적 한정 내에서" 등과 같이 해석되는 것을 의도한다.
72, 201, 302, 501 바디
74, 104, 208a, 208b, 304, 508a, 508b 재생기
76, 106, 206a, 206b, 306, 506a, 506b 제1 열교환기
78, 108, 210a, 210b, 308, 510a, 510b 제2 열교환기
82, 120, 204a, 204b 전자기계 드라이버
84, 128 가변 진동수 드라이버
94, 148 온도 센서
98, 152, 232, 332, 532 제어부

Claims (4)

  1. 열음향 장치로서,
    작동 가스를 포함하는, 일반적으로 중공의 밀봉된 바디;
    상기 바디 내에 배치된 재생기(regenerator);
    상기 바디 내에 배치되고, 상기 재생기의 제1 길이방향 단부에서 상기 재생기에 근접하게 배치된 제1 열교환기;
    상기 바디 내에 배치되고, 상기 재생기의 제2 길이방향 단부에서 상기 재생기에 근접하게 배치된 제2 열교환기;
    전자기계 드라이버로부터의 음향 에너지가 상기 바디 내로 보내지도록 상기 제1 열교환기에 근접한 상기 바디 내에 배치된 전자기계 드라이버;
    상기 열음향 장치의 국부 온도를 측정하고 온도 데이터 신호를 제공하기 위한 온도 센서;
    상기 온도 데이터 신호를 기초로 제어 신호를 결정하고 제공하기 위하여 상기 온도 센서에 연통하게 연결된 제어부; 및
    상기 제어부로부터의 제어 신호를 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제어 신호의 함수로서 상기 전자기계 드라이버에 가변 구동 신호를 제공하기 위하여, 상기 전자기계 드라이버 및 상기 제어부에 연통하게 결합된 가변 진동수 드라이버
    를 포함하는 열음향 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 센서는, 상기 열음향 장치의 외부의 온도 및 상기 열음향 장치가 작동하는 영역에서의 온도를 측정하고, 상기 온도에 대응하는 주위 온도 데이터 신호를 제공하고,
    상기 제어부는, 상기 열음향 장치의 작동 동안에 다양한 시간에서 각각 얻은 복수의 상기 주위 온도 데이터 신호로부터 적어도 부분적으로 상기 제어 신호를 발생시키고, 따라서 상기 전자기계 드라이버의 작동은 상기 열음향 장치의 선택되고 최적화된 작동 효율을 제공하고,
    상기 열음향 장치는, 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기 중 적어도 하나에 근접한 상기 바디 내의 온도를 측정하고, 바디 온도 데이터 신호를 제공하기 위한 바디 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 열음향 장치의 작동 동안에 다양한 시간에서 각각 얻은 복수의 상기 주위 온도 데이터 신호 및 상기 바디 온도 데이터 신호로부터 적어도 부분적으로 상기 제어 신호를 발생시키고, 따라서 상기 전자기계 드라이버의 작동은 상기 열음향 장치의 선택되고 최적화된 작동 효율을 제공하고,
    상기 열음향 장치는,
    상기 열음향 장치의 작동 동안에 상기 제1 열교환기 내에 배치된 유체의 온도를 측정하고 제1 열교환기 온도 데이터 신호를 제공하기 위한 제1 열교환기 온도 센서; 및
    상기 열음향 장치의 작동 동안에 상기 제2 열교환기 내에 배치된 유체의 온도를 측정하고 제2 열교환기 온도 데이터 신호를 제공하기 위한 제2 열교환기 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 열교환기 온도 센서 및 상기 제2 열교환기 온도 센서에 연통되게 추가 연결되고, 상기 제어 신호는, 상기 제1 열교환기 온도 데이터 신호 및 상기 제2 열교환기 온도 데이터 신호를 기초로 추가로 결정되는, 열음향 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 재생기에 대하여 상기 전자기계 드라이버 반대편의 상기 바디 내에 배치된 음향 에너지 변환기를 더 포함하고, 따라서 상기 바디 내의 음향 에너지의 적어도 일부가 상기 음향 에너지 변환기로 보내져서 전기적 에너지로 변환되고,
    상기 음향 에너지 변환기는 상기 제어부에 연통하게 결합되고, 상기 제어 신호는, 피드백 루프에서 상기 음향 에너지 변환기로부터의 데이터에 기초하여 추가로 결정되는, 열음향 장치.
  4. 열음향 열기관으로서,
    작동 가스를 포함하는, 일반적으로 중공의 밀봉된 바디;
    상기 바디 내에 배치된 재생기;
    상기 바디 내에 배치되고, 상기 재생기의 제1 길이방향 단부에서 상기 재생기에 근접하게 배치된 제1 열교환기;
    상기 바디 내에 배치되고, 상기 재생기의 제2 길이방향 단부에서 상기 재생기에 근접하게 배치된 제2 열교환기;
    상기 바디 내의 음향 에너지의 적어도 일부가 음향 에너지 변환기로 보내져서 전기적 에너지로 변환되도록, 상기 바디 내에 배치된 음향 에너지 변환기;
    상기 열음향 열기관의 작동 동안에 상기 바디의 주위 영역에서의 온도를 측정하기 위한 주위 온도 센서;
    상기 주위 온도 센서로부터의 데이터를 기초로 제어 신호를 결정하고 제공하기 위하여 상기 주위 온도 센서에 연통하게 연결된 제어부;
    상기 제어부로부터의 제어 신호를 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제어 신호의 함수로서 상기 음향 에너지 변환기 상의 가변 진동수 및 가변 임피던스 부하(impedance load)를 제공하기 위하여, 상기 음향 에너지 변환기 및 상기 제어부에 연통하게 결합된 가변 임피던스 부하; 및
    상기 음향 에너지 변환기에 의해 생산된 전기 에너지의 적어도 일부가 상기 열음향 열기관의 외부의 활용을 위해 출력 터미널에 제공되도록, 상기 가변 임피던스 부하에 전기적으로 결합된 출력 터미널
    을 포함하는 열음향 장치.
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