KR20120063509A - 펌핑 장치 - Google Patents

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KR20120063509A
KR20120063509A KR1020127008836A KR20127008836A KR20120063509A KR 20120063509 A KR20120063509 A KR 20120063509A KR 1020127008836 A KR1020127008836 A KR 1020127008836A KR 20127008836 A KR20127008836 A KR 20127008836A KR 20120063509 A KR20120063509 A KR 20120063509A
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KR1020127008836A
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앨빈 스미스
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다트마우스 웨이브 에너지 리미티드
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Abstract

수역에 위치시키기 위한 파력의 펌핑 장치가 기재된다. 상기 펌핑 장치는 수역의 바닥에 고정되는 수중용 실린더를 포함하는데, 상기 실린더에는 구멍이 형성된다. 수중 플로트는 상기 실린더에 작용하여, 실린더의 수중에서의 직립 배향이 강제되도록 배치된다. 수면 플로트는 사용 중에 파도의 움직임과 조수의 움직임에 따라 수역에서 위 아래로 움직이도록 수역의 수면에, 또는 수면에 충분히 근접해서 뜨도록 배치된다. 상기 수면 플로트로부터 세장 부재가 매달린다. 상기 세장 부재는 수중용 실린더의 상기 구멍에 신축 자유롭게 연장하여, 상기 실린더 내에서 펌핑 챔버를 형성한다. 상기 펌핑 챔버의 용적은 상기 세장 부재의 상승 행정시에 유체를 상기 펌핑 챔버 안으로 끌어들이고, 상기 세장 부재의 하강 행정시에 유체를 상기 펌핑 챔버 밖으로 퍼내도록, 펌핑 사이클에서, 파도의 움직에 따라 변화된다. 상기 펌핑 챔버의 길이는, 상기 실린더를 수역의 바닥에 대해 이동시킬 필요 없이, 조석 간만의 차에 걸치어 효율적인 펌핑 사이클이 지속하면서, 상기 실린더에 대해 상기 세장 부재를 연장 또는 축소시키는 것에 의해, 조수의 수심을 변화시키도록 조정하기 위해 조수의 움직임에 의해 변화된다. 상기 세장 부재가 상기 실린더의 상기 구멍 속으로 수축되는 범위까지, 상기 세장 부재가 상기 구멍의 단면적의 과반을 차지한다.

Description

펌핑 장치{PUMPING DEVICE}
본 발명은 파력(wave-powered)의 펌핑 장치에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 조석수(tidal water)에서 사용하기 위한 펌핑 장치에 관한 것이다.
파력의 펌핑 장치가 공지되어 있다. 통상적으로, 이들 장치는, 수역(body of water)의 수면, 예를 들면 바다의 수면에 있는 플로트(float)의 수직 변위에 의해 구동되는 펌프를 포함한다. 파력의 펌핑 장치는 수력전기를 발생시키기 위해 물이 터빈을 통과하도록 펌핑하는데 사용될 수 있고, 필요에 따라, 예컨대, 수력전기를 생성하는 등 추후 사용을 위해 저장되는 육지의 저장조에 물을 펌핑하는 데 사용될 수 있다.
공지의 펌핑 장치의 예는 본 출원인의 등록된 영국 특허 GB 2453670 B에 기재되어 있으며, 여기서는 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 공지의 펌핑 장치는, 수중의 플랫폼(30)상에 지지된 펌프를 포함한다. 플랫폼(30)은 체인(28)에 의해 해저(31)에 연결되고, 수중 플로트(21)에 의해 물속에서의 직립 자세가 지지된다. 펌프는, 실린더(9) 내에서 왕복 운동(reciprocal motion)하도록 배치된 피스톤(12)을 포함한다. 연결 부재(5)가 상기 피스톤(12)을 해수면에 배치된 무게 플로트(2)에 연결한다.
사용 중에, 무게 플로트(2)는 파고의 증가와 더불어 상승하고, 파도가 지나가면 중력에 의해 하강한다. 파도의 통과에 의한 이러한 무게 플로트(2)의 수직 변위는, 실린더(9) 내에서 피스톤(12) 및 연결 부재(5)의 왕복운동을 구동(drive)한다. 펌프는 이중으로 움직이며, 다음과 같이 작동하는데,: 피스톤(12)의 상승 행정시에, 물이 입구밸브(inlet valve, 14)를 통해 실린더(9)로 빨려들어가는 동시에, 매니폴드(10)를 경유하여 출구밸브(outlet valve, 8)를 통해 실린더(9)로부터 방출된다; 이와 반대로, 피스톤(12)의 하강 행정시에는, 물이 입구밸브(7)를 통해 실린더(9)로 빨려들어가는 동시에, 매니폴드(10)를 경유하여 출구밸브(13)를 통해 실린더(9)로부터 방출된다.
상기 플랫폼(30)은 변화하는 조수의 상태에 맞추어서 펌프의 높이를 조정하도록 수중에서 상승 또는 하강된다. 이를 위해, 플랫폼(30)은, 침수 실린더(flooded cylinder)(23)에 대해, 신축 자유로운 관계로 이동 가능한, 공기입 칼럼(air filled column)(22)을 포함한다. 수역의 수위가, 예컨대 밀물과 함께 상승할 때, 상기 무게 플로트(2)도 또한 상승하여, 실린더(9)로부터 연결 부재(5)를 끌어올린다. 일단 상기 연결 부재(5)가 실린더(9)로부터 그것의 최대 범위에 도달하면, 밀물에 의해 무게 플로트(2)의 상방 이동을 계속하는 것이 공기입 칼럼(22)을 침수 실린더(23)에 관하여 연장시킨다.
상기 침수 실린더(23)는, 그 기저부에서, 흡입 릴리프 입구밸브(suction relief inlet valve)(25) 및 압력 릴리프 출구밸브(pressure relief outlet valve)(26)를 포함한다. 밀물과 함께 공기입 칼럼(22)이 연장됨에 따라, 물은 흡입 릴리프 입구밸브(25)를 통해 칼럼(22)과 실린더(23) 사이의 챔버로 빨려들어간다. 반대로, 썰물에 의해 칼럼(22)이 수축되어 펌프의 높이를 낮추는 것을 가능케 하기 위해서, 물이 압력 릴리프 출구밸브(26)를 통해 챔버로부터 방출된다. 상기 흡입 릴리프 입구밸브(25) 및 압력 릴리프 출구밸브(26)는, 상기 펌프(9)로 하여금 그 보통의 행정 내에서의 작동을 가능하게 하는 위치에서 상기 칼럼(22)을 유지하도록, 수압식 록(hydraulic lock)을 제공하도록 설정된다.
수중에서 펌프의 높이를 조정하는 것은 중요한데, 그 이유는 그것이 펌프가 정상적으로 작동하도록 올바른 높이에 있는 것, 즉 무게 플로트(2)가 상하로 움직일 수 있는 것을 보장하고, 그리고 펌핑 장치의 구성요소들이 극단적인 하중과 힘으로부터 보호되는 것을 보장하기 때문이다. 예를 들면, 만약 펌프의 높이가 고정이면, 만조시에 펌프는 수중에서 지나치게 낮은 위치에 있게 될 것이다. 이는 무게 플로트(2)의 평형위치가 펌프로부터 지나치게 멀어지게 되는 결과를 초래하여, 피스톤(12)이 최대 상승 행정으로 작동하는 것을 방해할 것이다.
만조시에, 펌프로부터 무게 플로트(2)의 평형위치가 지나치게 멀면, 연결 부재(5)는 펌프로부터 긴 기간 동안 현저하게 길게 연장될 것이다. 이 연장된 위치에서, 연결 부재(5)는 실린더(9)에 의해 보호받지 못할 것이고, 파도의 움직임으로 인해 수중에서 격렬한 횡력에 노출될 것이다. 연결 부재(5)는 금속으로 이루어지고, 실린더(9)의 내경에 비해 작은 직경을 갖는다. 연결 부재(5)는, 펌핑 챔버를 관통해서 연장되며, 따라서, 상향 펌핑 행정에서 장치의 펌핑 용량(pumping capacity)을 최대로 하기 위해서는 작은 직경이 요구된다. 그 작은 직경의 결과로서, 연결 부재(5)가 실린더(9)로부터 긴 기간 동안 연장되면, 횡력 작용으로 구부러지거나 비틀릴 수 있다. 따라서, 연결 부재(5)가 실린더(9)로부터 긴 기간동안 연장되지 않도록 방지하기 위해서는 높이 조정 가능한 플랫폼을 갖출 필요가 있다.
도 1을 참조로 상술한 시스템이 잘 기능하지만, 본 발명은 단순화된 구조의 대안적인 펌핑 장치를 제공하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 제1 국면에 의하면, 수역(body of water)에 위치하는 파력(wave-powered)의 펌핑 장치가 제공되며, 상기 펌핑 장치는: 상기 수역의 바닥(bed)에 고정(anchor)되고, 구멍(bore)을 형성하는 수중용 실린더; 상기 실린더에 작용하고, 상기 실린더를 수중에 있어서 직립 배향(upright orientation)으로 강제하도록 배치되는 수중 플로트(underwater float); 사용 중에 파도의 움직임과 조수의 움직임에 따라 상기 수역에서 상하로 움직이도록, 상기 수역의 수면 또는 상기 수역의 수면에 충분히 가깝게 뜨도록 배치되는 수면 플로트; 및, 상기 수면 플로트에 매달리고, 상기 수중용 실린더의 상기 구멍내로 신축 자유롭게 연장하여, 상기 실린더 내에서 펌핑 챔버를 형성하는 세장 부재(elongate member)를 포함하고,: 상기 펌핑 챔버의 용적(volume)은, 펌핑 사이클에 있어서, 상기 세장 부재의 상승 행정시에 유체를 상기 펌핑 챔버내로 끌어들이고, 상기 세장 부재의 하강 행정시에 유체를 상기 펌핑 챔버밖으로 퍼내도록, 파도의 움직임에 의해 변화하고; 상기 펌핑 챔버의 길이는, 상기 실린더에 관하여 상기 세장 부재를 연장시키거나 수축시키는 것에 의해 조수의 수심(tidal depth) 변화에 순응하여, 상기 수역의 바닥에 대해서 상기 실린더를 이동시킬 필요 없이 조수 간만의 차(tidal range)에 걸치어 효율적인 펌핑 사이클이 지속되도록, 조수의 움직임(tidal movement)에 의해 변화하며; 상기 세장 부재가 상기 실린더의 상기 구멍내로 수축되는 범위까지, 상기 세장 부재가 상기 구멍의 단면적의 과반을 점유한다.
본 발명은 종래 기술의 시스템보다 단순하고, 저렴하며, 더 효율적이다. 비용 절감은, 공지의 시스템에 비해 더 적은 부품의 사용에 적어도 일부 기여할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은, 조수의 변동에 순응하도록 수중의 실린더를 승강시키기 위해 개별적인 높이 조정 플랫폼과 관련 밸브를 필요로 하지 않는다. 그 대신에, 본 발명은 실린더에 대해 세장 부재를 신축 자유롭게 연장시키거나 수축시킴으로써 조수의 변화를 보상한다. 만조시에는, 세장 부재가 실린더로부터 현저하게 길게 연장될 것이고, 간조시에는 세장 부재가 실린더 내로 대부분 수축될 것이다.
상기 세장 부재는, 공지된 시스템들의 대응되는 세장 부재(또는 커넥팅 로드)보다 현저하게 크다. 종래 기술의 시스템에 비해, 본 발명의 세장 부재는 큰 직경을 갖고, 실린더 내에서 그것이 수축되는 구멍의 단면적의 과반을 차지한다.
큰 직경의 세장 부재는, 실린더로부터 연장되었을 때 수중에서 겪는, 강한 횡력으로부터의 굽힘이나 비틀림에 저항할 수 있다. 이러한 식의 변형에 대한 저항능력은 종래 기술의 시스템보다 더 긴 기간 동안 노출된 위치에서 또는 높게 연장된 채로 세장 부재가 남아 있을 수 있게 한다. 따라서, 종래 기술의 시스템이 일반적으로, 커넥팅 로드가 긴 기간 동안 연장되는 것을 방지하도록, 높이 조정가능한 실린더를 활용하는 데에 반해, 본 발명의 장치는, 조수의 변화에 대해 신축 자유롭게 조정될 수 있다.
일반적으로, 상기 세장 부재의 직경은 상기 구멍의 직경의 적어도 90%이다. 상기 구멍의 직경 범위는 500~1600mm이다. 바람직하게는, 상기 구멍은 적어도 550mm의 직경을 갖는다. 상기 세장 부재의 직경의 범위는 500~1500mm이다. 만약 본 발명의 장치가, 매우 수심이 깊거나 매우 큰 파도나 큰 조석 간만의 차가 있는 수역에서 사용되면, 훨씬 더 커질 수 있다는 이 당연히 이해될 것이다. 또한 본 발명의 장치는 더 많은 용적의 유체를 펌핑하기 위해 그 크기가 커질 수도 있다. 따라서, 여러 구성요소들의 크기가 상기 범위를 초과할 수 있으리라는 것이 생각될 수 있다.
상기 세장 부재는 실질적으로 원형의 단면을 갖고, 그리고/또는 그 길이를 따라 실질적으로 균일한 단면적을 가질 수 있다. 상기 세장 부재는 피스톤으로서 기능한다. 상기 세장 부재의 하단에는 피스톤 헤드가 구비될 수 있고, 상기 하단은 수면 플로트로부터 멀리 떨어져 있다. 상기 피스톤 헤드는, 개별적인 부품으로서 상기 세장 부재에 연결되거나 세장 부재의 닫힌 하단에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시 형태에서는, 개방단을 갖는 세장 부재가 채용될 수 있다. 상기 세장 부재의 상단에 출구(outlet)가 구비될 수 있다. 상기 출구는 세장 부재보다 위에 장착된 발전기와 통할 수 있다.
상기 장치는, 바람직하게는, 상기 세장 부재의 하강 행정이 주된 (또는 어쩌면 유일한) 작업 행정이 되도록 구성된다. 실시 형태들에서는, 상기 세장 부재가 닫힌 하단을 갖고, 상기 실린더가 직립일 때, 주 펌핑 챔버는 상기 세장 부재보다 아래에 있다. 그러나, 상기 세장 부재의 단부가 개방된 경우에, 상기 펌핑 챔버는 세장 부재의 범위 내에서 상방으로 연장될 수 있다. 양쪽 경우에서, 상기 실린더가 직립일 때, 적어도 펌핑 챔버의 과반이, 유리하게, 실린더의 최상단 아래에 있다. 또한, 양쪽 경우에 있어서, 상기 세장 부재는 펌핑 챔버를 통해 연장하거나 점유하지 않고, 그래서 본 발명의 세장 부재는 그 크기를 제한할 필요가 없다.
신축 자유로운 조수 조정을 용이하게 하기 위해, 상기 세장 부재는 종래 기술의 커넥팅 로드보다 현저하게 길다. 마찬가지로, 상기 실린더는 종래 기술의 실린더보다 현저하게 길다. 대체로, 특정 수역의 특유한 특성에 맞춰서 더 길거나 더 짧은 부품들이 제작될 수 있을지라도, 상기 실린더 및 상기 세장 부재의 각각의 길이는 10~20미터일 것이다. 바람직하게는, 상기 실린더 및 상기 세장 부재의 길이는 적어도 10미터이다. 상기 장치는 조수가 수심에 있어서의 극단적인 변화를 일으키는 수역에서 사용하기에 적합하다. 예를 들면, 일부 수역에서는 12미터까지의 수심의 변화가 일어난다. 이러한 조석 간만의 차에 적응하기 위해, 15미터의 실린더와 15미터의 세장 부재가 사용될 수 있다. 이것은 만조에서의 파도 구동에 의한 세장 부재의 왕복운동을 위해 3미터의 추가 이동을 더욱 가능케 할 것이다. 물론 필요하면 상기 실린더와 세장 부재를 더 길게 하여, 만조에서 더 큰 파도에 더욱 적응하도록 할 수 있다.
상기 세장 부재는 금속 또는 철근 콘크리트로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 세장 부재는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 세장 부재는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 이루어질 수 있다. 상기 세장 부재는 복합 구조(composite construction)로 이루어질 수 있다. 특히, 섬유 강화 복합재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 세장 부재는, 유리 또는 나일론 섬유강화 HDPE와 같은 섬유강화 플라스틱 재료로부터 형성될 수 있다.
편의적으로, 상기 세장 부재는 속이 비어 있을 수 있고, 또는 그렇지 않으면 내부 공동(internal cavity)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 세장 부재는 관 모양일 수 있고, 실질적으로 원형의 단면을 가질 수 있다. 수중에서 세장 부재를 안정시키도록 상기 공동 내에는 골재(aggregate), 물, 금속과 같은 밸러스트(ballast) 또는 다른 그러한 밀도 있는 재료(dense material)가 구비될 수 있다. 상기 밸러스트는 세장 부재의 하중을 증가시키고 하향의 펌핑 행정을 보조한다.
상기 구멍내의 연장 부재와 실린더 사이에 형성된 간극 영역(clearance region)은 환형상(annular)일 수 있다. 상기 간극 영역의 폭은 상기 세장 부재의 직경의 5% 미만일 수 있다. 바람직하게는, 상기 간극 영역의 폭은 상기 세장 부재의 직경의 2% 미만이고, 더 바람직하게는 1.5% 미만이다. 일반적으로 상기 간극 영역의 폭은 5~10mm의 범위이다. 바람직하게는 상기 간극 영역의 폭은 대략 7 밀리미터이다.
상기 세장 부재는, 바람직하게는, 상기 구멍내에 미끄럼 끼워맞춤(sliding fit)된다. 미끄럼 끼워맞춤을 용이하게 하기 위해 간극 영역 내에 베어링이 구비될 수 있다. 상기 세장 부재의 외면에 제1 베어링이 장착될 수 있다. 상기 제1 베어링은 세장 부재의 하단부(lower end portion)에 장착될 수 있다. 제2 베어링은 상기 실린더의 내벽에 장착될 수 있다. 상기 제2 베어링은 실린더의 상단부(upper end portion)에 위치될 수 있다. 베어링의 이러한 구성은 상기 세장 부재를 상기 실린더내에서 동심원 관계로 유지하는데 도움이 된다.
상기 장치는, 사용 중에, 상기 간극 영역안에 쌓이는 식물 또는 조류(algae)가 상기 실린더 내에서의 상기 세장 부재의 움직임을 원활하게 하도록 구성될 수 있다. 상기 세장 부재의 상기 실린더 내에서의 움직임 중에 과도한 두께의 식물 또는 조류를 제거하도록 상기 간극 영역으로의 입구부(entrance)에 스크레이퍼(scraper)가 구비될 수 있다. 상기 스크레이퍼는, 또한, 상기 실린더의 이러한 부분에 따개비(barnacle), 연체동물(molluscs) 등이 정착하는 것을 방지한다. 상기 장치는 사용 중에, 상기 간극 영역내의 수막(film of water)이 상기 세장 부재의 상기 실린더 내에서의 움직임을 원활하게 하도록 구성될 수도 있다.
상기 수면 플로트는 부력부(buoyant portion)와 밸러스트부(ballast portion)를 포함할 수 있다. 부력부는 공기로 채워질 수 있다. 밸러스트부는 밸러스트로서 골재나 물을 담을 수 있는 탱크를 포함할 수 있다. 만약 물이 사용되면, 상기 탱크 내의 물의 양이 동적으로(dynamically) 제어되어 필요에 따라 밸러스트를 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 폭풍우 상황에서는, 탱크 내에 충분한 물이 채워질 수 있게 하여 수면 플로트를 해수면보다 아래로 내려가게 할 수 있다. 상황이 고요해지면, 예를 들어 축압 탱크(accumulator tank)로부터의 공기가 상기 탱크내로 펌핑되면서, 상기 탱크로부터 물의 일부 또는 전부가 방출되어, 수면 플로트가 다시 한번 부상할 수 있다. 대안적으로, 요구된다면, 정상 사용에서 수면 플로트가 수면보다 아래로 내려갈 수 있고, 수면에 충분히 가깝게 유지하면서 파도의 움직임에 따라 왕복 운동할 수 있다. 밸러스트부는 부가적으로 또는 대안적으로 콘크리트 또는, 금속, 예를 들어 주철로 된 무게추를 포함할 수 있다.
상기 실린더는 로프, 체인, 케이블 등과 같은 테더(tether)에 의해 수역의 바닥에 고정될 수 있다. 테더의 사용은 강건한 커플링에 비해 편리하고 경제적이다. 그런데, 실린더를 직립 위치 주위로 피봇 가능하게 하는 볼 조인트와 같은 강건한 커플링이 본 발명에 의해 또한 고려될 수 있다. 테더는 수역에서의 실린더의 높이를, 필요에 따라, 용이하게 결정 및/또는 조정될 수 있게 한다. 상기 실린더는 테더의 부착이 가능한 플랜지를 포함할 수 있다. 상기 실린더는 하나 이상의 테더의 부착이 가능한 단일의 테더링 포인트(tethering point)를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 실린더를 수역의 바닥에 연결하기 위해 단일의 테더가 사용된다. 단일의 테더의 사용은, 장치로 하여금 자유롭게 고정 지점의 주위로 움직여 우세 해류(prevailing current)에 대해 조정될 수 있게 한다. 단일의 테더는, 다중 테더링 시스템에서 문제가 될 수 있는 '스내칭(snatching)'을 방지한다.
상기 수중 플로트는 하향 펌핑 행정 중의 세장 부재 및 수면 플로트의 하향력에 저항하기에 실질적이고 충분한 부력이다. 테더링 시스템에 있어서, 수중 플로트는 충분한 부력을 가짐으로써 하향 펌핑 행정 중에 테더가 팽팽한 상태를 유지하는 것을 보장한다. 이러한 구성은, 대부분의 종래 기술의 시스템과 대비되는 것인데, 종래 기술에서는, 하강 행정이 작업 행정으로 이용되면, 수역의 바닥에 강건하게 연결되거나, 고정된 플랫폼에 강건하게 연결되어야 한다. 따라서, 본 발명의 펌핑 장치는 자유 직립형(free-standing) 및 자가 지지형(self-supporting)일 수 있다. 많은 종래 기술의 시스템에 비해, 본 발명의 펌핑 장치는 수중에서 그것을 직립으로 지지하기 위한 추가적인 안정화 수단이 필요하지 않다.
수중 플로트는 실린더의 상단에 적절하게 작용한다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 수중 플로트는 실린더의 상단 둘레에 고정된 재킷의 형태이다. 상기 재킷은 공기로 채워질 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 상기 세장 부재가 닫힌 단부를 갖는 경우에, 펌핑 챔버를 형성하는 상기 구멍의 일부가 실린더 내에서 수중 플로트의 아래의 레벨까지 연장된다. 유사하게, 세장 부재가 개방된 단부를 갖는 경우에, 펌핑 챔버의 과반이 여전히 수중 플로트 아래에 있을 것이다. 이는 많은 종래 기술의 시스템과 대비되는 것으로서, 등가의 구멍과 펌핑 챔버가 수중 플로트 위에 위치된다. 유리하게는, 본 발명은 더 낮은 중력 중심을 제공하고, 그래서 자유 직립의 종래 기술의 장치보다 더욱 안정적이다.
상기 펌핑 장치는 상기 펌핑 챔버와 통하는 출구를 포함한다. 상기 출구에 파이프 또는 호스가, 먼 위치로 펌핑되는 유체를 채널링하기 위한 출구에 연결될 수 있다. 유리하게는, 상기 출구는 상기 실린더의 하단 영역에 구비될 수 있다. 낮은 레벨에 출구를 구비시키는 것은, 파이프 또는 호스가, 실린더를 수중에서 그것의 그것이 아니라면 직립하고 있을 위치로부터 멀어지도록 당기지 않는 것을 보장한다. 또한, 상기 출구를 낮은 레벨에 구비시키는 것은, 장치가 자가 세정(self-flushing)한다는 것을 의미하며: 실린더의 바닥에 가라앉은 진흙이나 다른 잔해가, 하향 펌핑 행정시에 상기 출구를 통해 밖으로 씻겨 나갈 수 있다.
상기 펌핑 장치는, 또한, 상기 펌핑 챔버와 통하는 입구를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 출구는 상기 실린더의 하단 영역에 구비될 수 있다. 이 위치에서, 주위의 물이, 그 수심으로 인해, 상대적으로 높은 수압에 있다. 따라서, 상기 입구를 통해 펌핑 챔버로 들어오는 유체가 상승 행정에서 세장 부재의 상향 움직임을 보조하고 가속시킨다. 입구를 충분히 낮은 레벨에 구비시키는 것은, 이러한 효과가, 세장 부재가 실린더 안으로 최대 범위로 수축되는 간조시를 포함하여, 모든 조석 조건에 대해 실현되는 것을 보장한다. 상기 입구를 낮은 레벨에 구비시키는 것에 대한 추가적인 이익은, 이것이 직사광에 입구가 노출되는 것을 최소화하고, 그래서 잡초의 성장, 및 식물, 조류, 연체동물, 따개비 등이 입구 위에, 그리고 그 둘레에 쌓이는 것을 최소화한다는 것이다.
상기 펌핑 장치는, 바람직하게는, 주위의 수역으로부터 물을 퍼올리도록 구성된다. 이 경우, 상기 입구는 주위의 물과 통할 수 있다. 펌핑된 물은 수력전기의 생성에 있어서, 또는 예를 들어 제염을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 상기 펌핑 장치는, 상기 입구를 적절한 유체 저장조에 연결하는 것에 의해, 다른 형태의 유체, 예를 들면 오일이나 가스를 펌핑하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 장치는, 단동식(single-acting)이다. 그러나, 복동식 장치도 또한 본 발명의 권리 범위에 속한다.
본 발명의 제2 국면에 의하면, 파력의 펌핑 장치를 사용하는 유체의 펌핑 방법이 제공되는데, 상기 펌핑 장치는, 부력에 의해 직립 위치쪽으로 강제되는 수중 실린더, 상기 실린더 내에 신축 자유로운 관계인 세장 부재, 및 상기 실린더 위에 배치되고 상기 세장 부재에 연결되는 플로트를 포함하고, 상기 플로트 및 상기 세장 부재는 수역에서의 파도의 움직임과 조수의 움직임에 의해 상기 실린더에 관하여 왕복 운동하도록 배치되며, 상기 방법은, 파도 구동의 펌핑 사이클 동안에 유체를 펌핑하여, 상기 플로트 및 세장 부재를, 상기 수역에서의 파도의 움직임이 상기 수역에서의 파도의 진폭 및 주파수에 의해 구동(drive)되는 범위로 그리고 상기 주파수로, 상기 실린더에 관하여 왕복 운동시키는 단계; 및, 조석 주기 내내 유체를 펌핑하기 위해 상기 파도 구동의 펌핑 사이클을 유지하면서, 상기 실린더에 관하여 신축 자유롭게 상기 세장 부재를 연장시키거나 수축시키는 것에 의해, 조석 주기 동안에 상기 수역에서의 조수의 변화에 대해 순응하는 단계를 포함한다.
해양에서 연속파의 피크들 간의 시간은 7~12초 사이의 범위일 수 있고.; 더 일반적으로 8~9초이며, 전형적으로는 약 8.5초이다. 파도 구동의 펌핑 사이클은 연속적인 파도의 피크들 간의 시간 간격과 대략 동등한 시간 길이를 가질 것이다.
여기서 연속적인 만조들 간의 시간으로 규정된 조석 주기는 수역에 좌우되지만, 대개는 약 12시간 30분이다. 이러한 조석 주기를 갖는 수역에 위치될 때는, 상기 실린더로부터의 상기 세장 부재의 평균 신장은, 대략 12시간 30분마다의 만조시에 최대로 될 것이다.
상기 방법은, 12미터까지의 조석 간만의 차(tidal range)를 갖는 수역에서의 장치의 작동을 포함할 수 있다. 조석 간만의 차에 의한 것은, 그것은 간조와 만조 사이의 평균 수심의 변화를 의미한다. 수역의 조석 간만의 차는, 한사리(spring tide) 시기에 발생하는 최대 조석 간만의 차, 그리고, 조금(neap tide) 시기에 발생하는 최소 조석 간만의 차를 포함하는 태음 주기(lunar period)와 더불어 변화한다는 것이 이해될 것이다. 상기 실린더와 세장 부재는, 바람직하게는, 파도 구동의 왕복운동은 만조시에라도 지속될 수 있게 하면서, 한사리를 포함하는 최대 조석 간만의 차를 수용하기에 충분히 길게 형성된다. 따라서, 상기 방법은, 상기 세장 부재가 상기 실린더로부터 더욱 연장되어 만조시에 파도 구동의 왕복 운동을 수용할 수 있게 하면서, 만조에 대해 순응하도록 상기 실린더로부터 상기 세장 부재를 12미터까지(그리고, 어쩌면 한사리 동안에 또한) 연장되는 것을 포함할 수 있다. 풍력 6의 조건에서, 즉, 강풍에서는, 해양에서의 파도의 산(peak)에서 골(trough)까지의 높이는 일반적으로 3~4미터 사이이다. 풍력 9의 조건에서, 즉, 강한 폭풍(gale)에서는, 파고(wave height)는 7~10미터 정도일 수 있고, 풍력 11 또는 12인 바람에서는, 즉, 격렬한 폭풍 또는 허리케인에서는, 파고가 16미터에 이를 수 있다. 따라서, 상기 방법은 이러한 규모의 파도가 있는 수역에서 펌핑 장치를 작동시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 실질적으로, 조석 주기 동안에, 수역에서의 상기 실린더의 높이를 유지하는 것을 포함할 수 있다. 상기 실린더의 높이를 유지하는 것은, 수역의 바닥과 상기 실린더의 기저부(base) 사이에 실질적으로 일정한 간격(separation)을 유지하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 사상은, 단동식의 파력 펌핑 장치를 포함하는데, 상기 파력 펌핑 장치는, 수역의 바닥에 테더링되고 수중 플로트에 의해 수중에서의 직립이 지지되는, 수중의 실린더를 포함하며; 상기 실린더는 세장의 피스톤 부재가 신축 자유롭게 수용되는 구멍을 형성하며; 상기 피스톤 부재는 파도의 움직임에 따라 수중에서 왕복운동하여 상기 구멍 내에서 상기 피스톤 부재를 구동시키기 위해, 상기 실린더 위에 배치되는 수면 플로트에 상단에서 연결되며; 상기 피스톤 부재는, 사용 중에 상기 구멍 내에 수용되는, 그 길이의 적어도 그 부분을 따르는 실질적으로 균일한 단면으로 이루어지고, 상기 단면은 상기 구멍의 단면적의 과반을 점한다.
본 발명의 사상은, 또한, 파력 펌핑 장치를 사용한 유체 펌핑 방법을 포함하는데, 상기 방법은: 구멍을 형성하는 실린더를 수역에서 수중에 잠기게 하는 단계; 상기 수역의 바닥에 실린더를 고정하는 단계; 상기 실린더를, 수중 플로트를 사용하여 실질적으로 직립 배향으로 유지하는 단계; 수면 플로트가 파도의 움직임과 조수의 움직임에 따라 상기 수역에서 위 아래로 움직이도록 상기 수역의 수면에, 또는 수면에 충분히 가깝게 상기 수면 플로트를 배치하는 단계; 상기 실린더 내에서 펌핑 챔버를 형성하기 위해 상기 실린더의 구멍내로 세장 부재를 신축 자유롭게 연장시키는 단계를 포함하는 단계로서, 상기 세장 부재는 상기 수면 플로트의 상단에 연결되는, 단계; 파고의 증가와 더불어 상기 펌핑 챔버내로 유체를 빨아들이도록 상기 세장 부재의 상승 행정을 활용하는 단계; 파고의 감소와 더불어 상기 펌핑 챔버 밖으로 유체를 퍼내도록 상기 세장 부재의 하강 행정을 활용하는 단계; 및 조수 간만의 차에 걸치어 효율적인 펌핑 사이클들이 계속되도록, 조수 수심 변화에 상기 장치를 순응시키기 위해, 상기 펌핑 챔버의 길이를 변화시키도록 조수의 움직임에 의해 세장 부재를 상기 실린더에 관하여 연장시키거나 수축시키는 단계를 포함한다.
도 1은, 본 발명의 배경 기술로서 이미 참조된 바와 같이, 공지의 펌핑 장치를 나타낸다.
본 발명이 더 용이하게 이해되도록, 예시로서 이하에 다음의 도면들이 참조되는데,:
도 2a는, 장치가 간조 상태에 있는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 단동식 펌핑 장치의 측단면도이고;
도 2b는 도 2a의 A-A선을 따라 취해진 단면도이며;
도 2c는 도 2a에 대상응하는 것으로서, 만조 상태에서의 펌핑 장치를 나타내고;
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 단동식 펌핑 장치의 측단면도이며;
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 단동식 펌핑 장치의 측단면도이고;
도 5는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 복동식 펌핑 장치의 측단면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 펌핑 장치(100)가 해양에 위치된 것이 도시된다. 개요로서, 상기 펌핑 장치(100)는 튜브형 실린더(102)를 포함하는데, 이 실린더(102)는 해양의 수면(104)보다 아래로 잠긴다. 상기 실린더(102)는 체인(110)에 의해 해저(108) 상의 콘크리트 블럭(106)에 테더링되고, 수중 플로트(114)에 의해 수중(112)에서 실질적으로 직립으로 지지된다. 상기 실린더(102)는 실린더(102)의 원형 내벽(117)에 규정된 원통형 구멍(116)을 갖는다. 세장 부재(118)는 상기 구멍(116) 내에 신축 자유롭게 수용된다. 상기 세장 부재(118)는, 그 하단(120)이 피스톤 헤드(122)에 연결되고, 그 상단(124)이 해양의 수면(104)에 배치된 수면 플로트(126)에 연결된다. 상기 수면 플로트(126)가 파도의 움직임에 의해 구동되어 수중(112)에서 상하로 움직임에 따라, 상기 피스톤 헤드(122) 및 세장 부재(118)가 상기 구멍(116) 내에서 왕복운동을 한다. 도시된 바와 같이, 상기 세장 부재(118)는, 간조에서, 그 하강 행정의 바닥에 있다.
상기 펌핑 장치의 다양한 구성요소가 이제, 여전히 도 2a를 참조로 더 상세하게 설명될 것이다. 이러한 도면이 정확한 축척은 아니라는 것을 이해해야 한다.
수면 플로트(126)는 대략 10미터의 직경을 갖고, 공기로 채워진 부력부(128)와 해수를 포함하는 탱크 형태의 밸러스트부(130)를 포함한다. 탱크 안의 해수량은, 필요에 따라 밸러스트의 조정을 위해 동적으로 제어될 수 있다. 예를 들면, 폭풍 상태에서는, 수면 플로트(126)를 해수면(104) 아래로 가라앉히도록 상기 탱크내로 충분한 물이 허용될 수 있다. 상황이 고요해지면, 예를 들면 축압 탱크로부터의 공기가 탱크내로 펌핑되어, 일부 또는 모든 물이 탱크로부터 방출되어 수면 플로트(126)를 다시 한번 부상시킬 수 있다.
상기 실린더(102)는 그 길이가 대략 15미터이고, 닫힌 하단(132)으로부터 열린 상단(134) 쪽으로 연장된다. 상기 하단(132)은 해저(108)를 향해, 역Y자 형상으로, 하향이면서 외측으로 뻗는 아암(136, 137)을 포함하여 역Y자 형상을 갖는다. 상기 열린 상단(134)은 구멍(116)으로의 진입구(entrance)(138)를 형성한다. 상기 진입구(138)는, 도시된 바와 같이, 상기 실린더(102)가 직립일 때, 해수면(104)을 향한다.
상기 실린더(102)는 입구(inlet)(140)와 출구(outlet)(142)를 포함하는데, 역Y자형의 하단(132)의 각각의 아암(136, 137)에 의해 형성된다. 상기 입구(140) 및 출구(142)는 상기 구멍(116) 내에 형성되는 펌핑 챔버(148)와 통하는, 입구 및 출구 밸브(144, 146)를 포함한다. 상기 실린더(102)의 출구 가지부(outlet branch)(137)에, 펌핑된 유체를 원격지로 통하게 하기 위한, 출구 파이프(150) 또는 이송 호스(transfer hose)가 부착된다. 상기 Y자형의 하단(132)의 아암들(136, 137) 사이에 연결 플랜지(152)가 구비된다. 상기 체인(110)의 상단(154)은 상기 연결 플랜지(152)에 부착되고, 상기 실린더(102)를 해저(108)에 고정하도록 상기 체인(110)의 하단(156)이 해저(108)상의 콘크리트 블럭(106)에 부착된다.
상기 튜브형 세장 부재(118)는 대략 15미터의 길이이고, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로부터 이루어진다. 상기 세장 부재(118)의 내부 공동(internal cavity)(158)은 밸러스트으로서 역할을 하는 골재(160)가 담겨져, 수중(112)에서 상기 세장 부재(118)를 안정시킨다.
제1 가이드 베어링(162)이 상기 세장 부재(118)의 하단(120)에서 외부적으로 장착되는 한편, 제2 가이드 베어링(164)이, 상기 실린더(102)의 열린 상단(134)에서, 상기 구멍(116) 내에 내부적으로 장착된다. 상기 제1 및 제2 가이드 베어링(162, 164)은, 상기 세장 부재(118)와 상기 실린더(102)를 동심원 관계로 유지하면서, 상기 세장 부재(118)와 관련 피스톤 헤드(122)가 상기 구멍(116)내에서 왕복운동을 함에 있어서 원활하게 움직이도록 보조한다.
도 2b를 참조하면, 이 도면은 도 2a의 A-A선을 따라 취해지는, 상기 실린더(102) 및 상기 세장 부재(118)를 통하는 단면을 나타낸다. 상기 세장 부재(118)의 외측면(167)과 상기 실린더(102)의 내벽(117)과의 사이에 좁은 간극 영역(166)이 형성된다. 화살표(168)에 의해 표시되는, 상기 실린더(102)와 상기 세장 부재(118) 사이의 반경 간극(radial clearance)은 대략 7밀리미터인데, 이 치수는 도 2a에 도시된 제1 가이드 베어링(162)을 수용하기에 충분히 딱 크다. 쌍촉 화살표(170)에 의해 표시되는 구멍(116)의 직경은 550mm이다. 쌍촉 화살표(172)에 의해 표시되는 상기 세장 부재(118)의 외경은 536mm이다. 따라서, 상기 세장 부재(118)는 상기 구멍(116)의 단면적의 과반을 차지하는 단면적을 갖는다. 이러한 구성은, 대응하는 구멍의 직경보다 현저하게 작은 직경의 세장 부재(5)를 활용하는 종래 기술의 시스템, 예를 들면 도 1에 도시된 장치과 대비된다는 점에서 주목할 중요 사항이다. 그래서, 그 세장 부재(5)는 그 구멍의 적은 부분을 차지한다.
도 2a를 다시 참조하면, 상기 수중 플로트(114)는 상기 실린더(102)의 상단(134)의 둘레에 연결된 칼라(collar)의 형태이다. 상기 수중 플로트(114)는 수중(112)에서 상기 실린더(102)를 직립으로 지지하기에 충분한, 실질적인 부력임으로써, 상기 구멍(116) 내에서의 상기 세장 부재(118) 및 관련된 피스톤 헤드(122)의 격렬한 하강 행정에서라도 상기 체인(110)이 팽팽한 채로 유지된다.
상기 피스톤 헤드(122)는 디스크 형상을 갖고, 상기 구멍(116)의 세로축(174)에 직교하는 평면에 놓인다. 환형상의 씰링 링(sealing ring, 도시 하지 않음)이 상기 피스톤 헤드(122)를 둘러싸고, 상기 실린더(117)의 내벽에 인접하여, 펌핑 챔버(148)와 간극 영역(166) 사이에서 쌀(seal)을 형성한다.
용적이 변화하는 상기 펌핑 챔버(148)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 실린더(102)가 직립일 때, 상기 피스톤 헤드(122)보다 아래에 있다. 상기 펌핑 챔버(148)의 용적은, 상기 세장 부재(118)와 관련된 피스톤 헤드(122)가 상기 구멍(116) 내에서 왕복운동하므로 상기 실린더(102)의 배수량(swept volume)에 따라서 변화한다. 상기 배수량은 수면 플로트(126)의 왕복 동작에 좌우되며, 결국 소정 시간에 수중(112)의 파고에 좌우된다.
이제 상기 펌핑 장치(100)의 작동이 도 2a 및 도 2c를 참조하여 설명될 것이다.
먼저 도 2a를 참조하면, 사용 중에, 해수면(104)에서 파고가 높아지면서, 상기 수면 플로트(126)의 부력이 상승하는 파도에 의해 수면 플로트(126)를 상향 이동시킨다. 이 상향 이동이 상기 구멍(116) 내에서 상기 세장 부재(118)와 피스톤 헤드(122)를 올라가게 한다. 이러한 상승 행정 중에는, 상승하는 피스톤 헤드(122)가 상기 펌핑 챔버(148)에 부압(negative pressure)을 생성하는데, 이 부압은 입구밸브 부재(144)를 그것의 자리로부터 이탈시키고, 상기 입구(144)를 통해 물이 펌핑 챔버(148)로 빨려들어가게 한다.
파도가 통과하면서, 상기 수면 플로트(126)는 중력하에서, 상기 밸러스트부(130)의 하중에 의해서, 그리고 상기 세장 부재(118) 및 그 속에 담긴 골재(160)의 하중에 의해서 또한 보조받아 하방으로 내려간다. 수면 플로트(126)의 이러한 하향 운동이 상기 구멍(116) 내에서 세장 부재(118) 및 피스톤 헤드(122)를 하방으로 구동시킨다. 이 하강 행정 중에, 상기 피스톤 헤드(122)는 상기 펌핑 챔버(148) 안의 물을 가압하고, 이것이 상기 출구밸브 부재(146)를 그것의 자리로부터 이탈시키고, 상기 출구(142)를 통해 물이 상기 펌핑 챔버(148)로부터 방출되게 한다. 상기 물은 출구 파이프(150)를 통해 수력전기 터빈쪽으로, 또는 추후 사용을 위해 물이 저장될 수 있는 저장조(양쪽 모두 도시 하지 않음)로 펌핑된다. 대안적으로, 상기 펌핑 장치(100)는 역삼투압 제염 시스템을 통해 물을 펌핑하는데 사용될 수 있다.
상승 행정과 그 다음의 하강 행정이 상기 펌핑 장치(100)에서의 하나의 완성된 사이클을 이룬다. 주목되게는, 도 2a의 펌핑 장치(100)는 단동식이고, 주 펌핑 행정 또는 주 작업 행정으로서, 상기 세장 부재(118)와 피스톤 헤드(122)의 하강 행정을 활용한다. 이것은, 대체로 작업 행정으로서 세장 부재와 피스톤 헤드의 상승 행정을 활용하는, 대개의 종래 기술의 단동식 펌핑 장치와 대비되는 것이고; 그러한 장치들은, 세장 부재가 펌핑 챔버의 일부를 차지하고 그래서 펌핑 챔버의 유효 부피가 감소하는 단점을 안고 있다. 도 2a에 도시된 구성은 주 펌핑 행정으로서 하강 행정을 활용함으로써, 상기 세장 부재(118)가 상기 펌핑 챔버(148)를 차지하지 않게 되고, 그래서 주 작업 행정시에 펌핑된 물의 양이, 상기 피스톤 헤드(122)에 의한 상기 실린더(102)의 전체 배수량과 대응한다.
또한, 종래 기술의 장치와는 대조적으로, 도 2a의 단동식 펌핑 장치(100)는, 상기 실린더(102)의 열린 상단(134)에서 상기 실린더(102)와 상기 세장 부재(118) 사이에 씰을 필요로 하지 않는데, 그 이유는, 이 지점에서의 압력 손실이 상기 피스톤 헤드(122) 둘레의 씰링 링에 의해 제공된 씰로 인한 관련이 아니기 때문이다. 상기 펌핑 장치(100)는 자체 윤활형(self-lubricating) 장치이고, 윤활제로서 주변의 해수(112)를 활용한다. 아울러, 상기 장치(100)는 자가 세정형(self-flushing)이며: 상기 실린더(102)의 바닥에 가라앉는 토사(silt) 또는 다른 잔해가, 하향 펌핑 행정에서, 상기 출구(142) 및 출구 파이프(150)를 통해 제거된다.
이제 도 2c를 참조하여, 조수의 상승 및 하강에 대한 상기 펌핑 장치(100)의 자체 조정 능력에 대해 설명될 것이다. 도 2c를 참조하면, 조수의 상승과 함께 수심이 깊어짐에 따라, 상기 수면 플로트(126)가 상기 세장 부재(118) 및 관련된 피스톤 헤드(122)를 들어올려서 수중(112)에서의 새로운 평형 위치를 수립한다. 이 만조의 평형 위치에서, 상기 세장 부재(118)는 상기 실린더(102)로부터 상당히 연장된다. 이 연장된 위치에서, 상기 세장 부재(118)의 상당한 비율이 파도의 움직임으로부터의 횡력 수시간 동안 노출된다. 그러나, 종래 기술의 시스템에 비해, 상기 세장 부재(118)는 거의 상기 실린더(102)의 직경 정도의 그 큰 직경으로 인해 이러한 힘에 견딜 수 있다.
상기 체인(110)은, 상기 장치(100)가 조수의 상승 및 하강에 대해 자체 조정될 때, 상기 실린더(102)의 하단(132)과 해저(108) 사이의 간격이 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 보장하며, 표현을 달리하면, 상기 세장 부재(118)가 조수의 상승 및 하강에 대해 신축 자유롭게 조정되면서, 상기 실린더(102)의 높이는 실질적으로 고정된 채로 유지된다.
도 3을 참조하면, 이 도면은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 펌핑 장치(176)를 나타낸다. 도 3과 도 2a에서 사용된 동일한 참조 번호는 등가의 구성요소를 나타낸다. 상기 펌핑 장치(176)는 도 2a의 펌핑 장치(100)에 관하여 가장 유사하지만, 상기 펌핑 장치(176)가 상기 세장 부재(118)의 하단(120)에 피스톤 헤드를 포함하지 않는 점이 예외이다. 대신에, 상기 세장 부재(118)는 열린 하단(120)을 갖는다. 상기 제1 실시 형태와 공통적으로, 상기 세장 부재(118)는 속이 비어있다. 따라서, 상기 펌핑 챔버(148)는, 상기 세장 부재(118) 내의 세장의 내부(elongate interior)(178)로 상향하여 추가적으로 연장된다.
본 실시 형태에서, 상기 실린더(102)의 상단(134)에 상기 실린더(102)와 상기 세장 부재(118) 사이에 씰(180)이 구비되어 상기 간극 영역(166)으로부터 물이 빠져나가는 것을 방지한다. 이 실시 형태는 상기 세장 부재(118)와 상기 실린더(102)의 상기 내벽(117) 간에 베어링을 포함하지 않는다. 그 대신에, 상기 간극 영역(116)에 있는 해수막이 상기 실린더(102)의 상기 구멍(116)내에서의 상기 세장 부재(118)의 슬라이딩 동작을 원활하게 한다. 더욱이, 조류 또는 식물이 상기 간극 영역(166)에 쌓이면, 이것이 추가적인 윤활제로서 작용한다. 도 3에는 출구 파이프와, 해저로의 커플링이 생략되지만, 이들 구성요소들이 도 2a에 도시된 것과 유사할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 4를 참조하면, 이 도면은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 펌핑 장치(182)를 나타낸다. 도 4에서 사용된 동일 참조 번호는 도 3 및 도 2a의 구성요소와 동등한 구성요소를 나타낸다. 도 4의 펌핑 장치(182)는, 베어링이 없고, 열린 단부를 갖는 세장 부재(118), 및 상기 실린더(102)의 상단(134)에서의 씰(180)을 갖는 한, 도 3의 펌핑 장치(176)와 유사하다. 그러나, 도 4의 펌핑 장치(182)는, 상기 세장 부재(118)의 상단(124)에 표면 전달 출구(surface delivery outlet)(184)가 구비되도록 변형되었다.
상기 표면 전달 출구(184)는, 상기 펌핑 챔버(148)의 일부인, 상기 세장 부재(118)의 연장 내측부(178)와 통한다. 상기 표면 전달 출구(184) 내에는 그곳을 지나는 유체의 흐름을 제어하기 위해 볼-밸브 요소(186)가 구비되어 있다. 상기 표면 전달 출구(184)는 온보드(onboard) 발전기 또는 다른 표면의 장비와 통할 수 있다. 상기 실린더(102)의 하단(132)에 출구(142)는, 본 실시 형태에서는 필요치 않으므로, 비워져 있다. 도 4에는 해저로의 커플링이 다시 생략되지만, 도 2a에 도시된 것과 유사한 장치가 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 5를 참조하면, 이 도면은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 펌핑 장치(200)를 나타낸다. 도 5와 도 2a에서는 동일 참조 번호가 등가의 구성요소를 나타내기 위해 사용되었다. 상기 펌핑 장치(200)는 도 2a의 펌핑 장치(100)에 관해서 가장 유사하지만, 복동식으로 변형된 것이 예외이다. 그러므로, 제1 실시 형태와는 대조적으로, 상기 펌핑 장치(200)는 상기 세장 부재(118)와 관련된 피스톤 헤드(122)의 상승 행정과 하강 행정 모두에서 물을 펌핑한다.
도 2a와 관련해서 상술된 주 구성요소에 더하여, 도 5의 상기 펌핑 장치는, 상기 실린더(102)에 대해 외부의 그리고 나란하게 연장되는 도관(conduit)(202) 형태의 매니폴드를 포함한다. 상기 도관은, 상기 실린더(102)의 출구(142)와 통하는 매니폴드 출구 밸브(206)를 포함하는 하단(204)을 갖는다. 상기 도관(202)의 상부(208)는 상기 수중 플로트(114)를 통해 연장되어, 상기 수중 플로트(114)의 상면(212)과 실질적으로 높이가 같은 상단(210)에서 끝난다. 상기 도관(202)의 상단(210)은, 매니폴드 입구밸브(214)를 경유하여 주변의 해수(112)와 통한다. 상기 도관(202)의 상부(208)는 또한, 상기 실린더(102)와 상기 세장 부재(118) 사이의 간극 영역(166)와 통하는 매니폴드 공급 채널(manifold feed channel)(216)을 포함한다. 본 실시 형태에 있어서 상기 실린더(102)의 상단(134)에서 상기 실린더(102)와 상기 세장 부재(118) 사이에 씰(218)이 구비되어, 물이 상기 간극 영역(166)으로부터 빠져나가는 것을 방지한다.
하강 행정시, 내려가는 세장 부재(118)와 관련된 피스톤 헤드(122)는, 도 2a의 장치(100)와 대체로 동일하게, 물을 펌핑 챔버(148)밖으로 출구(142)를 통해, 그리고 출구 파이프(150)를 따라 강제 방출시킨다. 그러나, 도 5의 펌핑 장치(200)는 또한, 하강 행정시에 물을, 매니폴드 입구밸브(214)를 경유하고 매니폴드 공급 통로(216)를 통해 밀폐된 간극 영역(166)내로 빨아들인다.
상승 행정시에, 물을 실린더 입구(140)를 경유하여 펌핑 챔버로 빨아들이는 것에 더하여, 상승하는 세장 부재(118) 및 관련된 피스톤 헤드(122)가 물을, 상기 매니폴드 공급 통로(216)를 통하고, 도관(202)을 통해 아래로, 매니폴드 출구 밸브(206) 및 실린더 출구(142)를 통해서 그리고 출구 파이프(150)를 따라, 간극 영역(166) 밖으로 강제 방출시킨다.
간극 영역(166)이 협소함에 따라, 상기 펌핑 장치(200)는 상승 행정시보다 하강 행정시에 휠씬 더 많은 물을 펌핑한다. 그러나, 상승 행정시에 펌핑된 물의 기여는, 상기 펌핑 장치(200)에 의해 펌핑된 물의 총량을 유용하게 증가시킨다.
본 제4 실시 형태는, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 방법으로, 조수의 상승과 하강에 대해 신축 자유롭게 조정되도록 구성되어 있다.
첨부된 청구범위에서 규정되는 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 다양한 변형들이 상술한 실시예에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상술한 실시예들은 체인(110)을 이용하여 해저(108)에 실린더(102)를 연결하는 것을 기술하지만, 다른 방법으로 상기 실린더(102)가 해저(108)에 부착할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 상기 실린더(102)가 피봇 커플링에 의해 유지될 수 있다.
또한, 상술한 일부 실시 형태는, 상기 세장 부재(118)의 하단(120)에 연결되는 디스크형상의 피스톤 헤드(122)를 포함하지만, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 피스톤 헤드(122)가 상기 세장 부재(118)와 일체로 형성될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 상기 피스톤 헤드(122)가 상기 세장 부재(118)의 하단(120)에 의해 형성될 수 있다.
더욱이, 상술한 장치들(100, 176, 182, 200)이 해역으로부터 물(112)을 펌핑하도록 구성되었지만, 다른 유체들, 예를 들면 오일 또는 가스가, 상기 입구(140)를 적절한 유체 저장조에 연결함으로써 펌핑될 수 있다.

Claims (36)

  1. 수역(body of water)에 위치하는 파력(wave-powered)의 펌핑 장치로서,
    상기 수역의 바닥(bed)에 고정되고(anchored), 구멍(bore)을 형성하는 수중용 실린더;
    상기 실린더에 작용하고, 상기 실린더를 수중에 있어서 직립 배향(upright orientation)으로 강제하도록 배치되는 수중 플로트(underwater float);
    사용 중에 파도의 움직임과 조수의 움직임에 따라 상기 수역에서 상하로 움직이도록, 상기 수역의 수면에 또는 상기 수역의 수면에 충분히 가깝게 뜨도록 배치되는 수면 플로트; 및
    상기 수면 플로트에 매달리고, 상기 수중용 실린더의 상기 구멍내로 신축 자유롭게(telescopically) 연장하여 상기 실린더 내에 펌핑 챔버(pumping chamber)를 형성하는 세장 부재(elongate member)를 포함하고;
    상기 펌핑 챔버의 용적(volume)은, 펌핑 사이클에 있어서, 상기 세장 부재의 상승 행정시에 유체를 상기 펌핑 챔버 내로 끌어들이고, 상기 세장 부재의 하강 행정시에 유체를 상기 펌핑 챔버 밖으로 펌핑하도록, 파도의 움직임에 의해 변화하고;
    상기 펌핑 챔버의 길이는, 상기 실린더에 관하여 상기 세장 부재를 연장시키거나 수축시키는 것에 의해 조수의 수심(tidal depth) 변화에 순응하여, 상기 수역의 바닥에 대해서 상기 실린더를 이동시킬 필요 없이 조수 간만의 차(tidal range)에 걸쳐 효율적인 펌핑 사이클이 지속되도록, 조수의 움직임(tidal movement)에 의해 변화하며;
    상기 세장 부재가 상기 실린더의 상기 구멍내로 수축되는 범위까지, 상기 세장 부재가 상기 구멍의 단면적의 과반(majority)을 점유하는, 펌핑 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세장 부재의 하강 행정이 주된 또는 단일의 작업 행정이도록 구성되는, 펌핑 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 장치는 단동식(single-acting)인, 펌핑 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌핑 챔버는, 상기 실린더가 직립일 때, 상기 세장 부재 아래의 상기 구멍의 영역에 형성되는, 펌핑 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장 부재의 하단에서의 피스톤을 더 포함하고, 상기 하단은 상기 수면 플로트로부터 떨어져 있는 펌핑 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수중 플로트는 상기 실린더의 상단에 작용하고, 상기 구멍은 상기 실린더 내에서 상기 수중 플로트 아래의 레벨까지 연장되는, 펌핑 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더의 하단 영역에서의 출구(outlet)를 더 포함하고, 상기 출구는 상기 펌핑 챔버와 통하는, 펌핑 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 출구는 유체를 상기 펌핑 챔버로부터 먼 위치로 전하기 위한 출구 도관과 통하는, 펌핑 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더의 하단 영역에서의 입구(inlet)를 더 포함하고, 상기 입구는 상기 펌핑 챔버와 통하고, 상기 세장 부재의 상승 행정시에 상기 펌핑 챔버 내로 유체가 들어갈 수 있게 구성되는, 펌핑 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장 부재는 플라스틱 재료로 이루어지는, 펌핑 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장 부재는 내부 공동(internal cavity)을 갖는, 펌핑 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 공동은 밸러스트(ballast)를 포함하는, 펌핑 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    간극 영역(clearance region)이 상기 구멍 내에 상기 세장 부재와 상기 실린더의 사이에 형성되는, 펌핑 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 간극 영역은 상기 세장 부재의 직경의 2% 미만인 폭을 갖는, 펌핑 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 간극 영역의 폭은 5~10mm의 범위인, 펌핑 장치.
  16. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장 부재는 상기 구멍내에 미끄럼 끼워 맞춤(sliding fit)되는, 펌핑 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    베어링들이 상기 간극 영역 내에 구비되는, 펌핑 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    제1 베어링이 상기 세장 부재의 외면에 장착되는, 펌핑 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 베어링은 상기 세장 부재의 하단부에 장착되는, 펌핑 장치.
  20. 청구항 17 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 베어링이 상기 실린더의 내벽에 장착되는, 펌핑 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 제2 베어링은 상기 실린더의 상단부 내에 위치하는, 펌핑 장치.
  22. 청구항 13 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 사용 중에, 식물 또는 조류(algae)가 상기 간극 영역에 쌓여서 상기 실린더 내에서의 상기 세장 부재의 움직임을 원활하게 하도록 구성되는, 펌핑 장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 실린더 내에서의 상기 세장 부재의 움직임 중에 과도한 두께의 식물을 제거하기 위해 상기 간극 영역으로의 입구부(entrance)에 스크레이퍼(scraper)가 구비되는, 펌핑 장치.
  24. 청구항 13 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 사용 중에, 상기 간극 영역 내의 수막이 상기 실린더 내에서의 상기 세장 부재의 움직임을 원활하게 하도록 구성되는, 펌핑 장치.
  25. 청구항 1 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더는, 상기 수역의 바닥에 상기 실린더를 고정하기 위해 테더(tether)가 부착될 수 있는 단일의 테더링 지점(tethering point)을 포함하는, 펌핑 장치.
  26. 청구항 1 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더는 적어도 10m의 길이를 갖는, 펌핑 장치.
  27. 청구항 1 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장 부재는 적어도 10m의 길이를 갖는, 펌핑 장치.
  28. 청구항 1 내지 청구항 27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장 부재는 상기 구멍의 직경의 적어도 90%인 직경을 갖는, 펌핑 장치.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 세장 부재의 직경은 500~1500mm의 범위인, 펌핑 장치.
  30. 파력의 펌핑 장치를 이용하여 유체를 펌핑하는 방법으로서, 상기 펌핑 장치는, 부력에 의해 직립 위치쪽으로 강제되는 수중 실린더, 상기 실린더 내에 신축 자유로운 관계인 세장 부재, 및 상기 실린더 위에 배치되고 상기 세장 부재에 연결되는 플로트를 포함하며, 상기 플로트 및 상기 세장 부재는 수역에서의 파도의 움직임과 조수의 움직임에 의해 상기 실린더에 관하여 왕복 운동하도록 배치되고, 상기 방법은,
    파도 구동의 펌핑 사이클 동안에 유체를 펌핑하여, 상기 플로트 및 세장 부재를, 상기 수역에서의 파도의 움직임이 상기 수역에서의 파도의 진폭 및 주파수에 의해 구동(drive)되는 범위로 그리고 상기 주파수로, 상기 실린더에 관하여 왕복 운동시키는 단계; 및,
    조석 주기 내내 유체를 펌핑하기 위해 상기 파도 구동의 펌핑 사이클을 유지하면서, 상기 실린더에 관하여 신축 자유롭게 상기 세장 부재를 연장시키거나 수축시키는 것에 의해, 조석 주기 동안에 상기 수역에서의 조수의 변화에 대해 순응하는 단계를 포함하는, 펌핑 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    조석 주기 동안에 상기 수역에서의 상기 실린더의 높이를 실질적으로 유지하는 단계를 더 포함하는, 펌핑 방법.
  32. 청구항 30 또는 청구항 31에 있어서,
    만조와 간조 간의 평균 수심의 변화가 12m까지인 수역에서 상기 펌핑 장치를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 펌핑 방법.
  33. 청구항 32에 있어서,
    상기 세장 부재로 하여금 만조에서의 수역의 파도에 순응하도록 상기 실린더로부터 더욱 연장될 수 있게 하면서, 만조에 대한 조정을 위해 상기 세장 부재를 상기 실린더로부터 12m까지 연장시키는 단계를 더 포함하는, 펌핑 방법.
  34. 청구항 30 내지 청구항 33 중 어느 한 항에 있어서,
    6~8m의 산(peak)에서 골까지의 높이를 가진 파도를 갖는 수역에서 펌핑 장치를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 펌핑 방법.
  35. 첨부 도면의 도 2a 내지 도 5 중 어느 한 도면에 도시된 바와 같은 또는 그것을 참조하여, 실질적으로 본 명세서에 설명된 바와 같은 파력의 펌핑 장치.
  36. 첨부 도면의 도 2a 내지 도 5 중 어느 한 도면을 참조하여, 실질적으로 본 명세서에 설명된 바와 같은 유체 펌핑 방법.
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