KR20120081228A

KR20120081228A - 다중상 물질 발전기 차량

Info

Publication number: KR20120081228A
Application number: KR1020127014314A
Authority: KR
Inventors: 브라디스라브 올리니크; 멜빈 제이슨 에젤; 제프리 엘. 리즈; 제내디 알벌
Original assignee: 카우스웨이브, 아이엔씨.
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2012-07-18
Also published as: MX2012005156A; CN102666177A; KR101386556B1; US20110101703A1; BR112012009969A2; US8378509B2; JP5537665B2; CA2777921A1; AU2010315218B2; CN102666177B; AU2010315218A1; CA2777921C; WO2011056869A2; EP2496433A2; WO2011056869A3; JP2013510546A

Abstract

MPM 및 압축된 공기를 사용하는 공기 동력 발전기(air driven generator)에 의하여 움직이는 차량과 관련한 시스템 및 방법들이 개시되었다.

Description

다중상 물질 발전기 차량 {Multiphase Material Generator Vehicle}

본 명세서의 구현예들은 공기-동력 차량(vehicles)에 관한 것이고, 더욱 자세하게는 차량을 추진하기 위해 전기를 발생시키는 다중상 물질 발전기 시스템에 관한 것이다.

현재, 차량의 영역에서, 차량을 추진하기 위해 연료 소스를 사용하는 것이 일반적인 실정이다. 그러한 장치들은 그와 관련한 총 비효율성 때문에 작동에 있어서 일반적으로 불만족스러운 것으로 드러났다. 구체적으로, 심지어 짧은 구간에도 이러한 차량을 추진하기 위해서는 많은 양의 연료가 필요할 뿐만 아니라, 이러한 차량을 구축하는데 포함되는 엄청난 중량은 동일한 비실제적인 문제를 만들었다. 차량과 관련한 문제의 대부분은 연료가 부족한 자원이고, 그들의 연소가 환경적으로 유해한 매연을 만든다는 사실과 관련되어 있다.

따라서, 차량을 효율적, 효과적이면서 환경적으로 안전한 방식으로 추진하기 위한 시스템 및 방법 개발의 필요가 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 차량을 추진하기 위한 시스템은 발전기(generator)를 포함하고, 상기 발전기는 전기 에너지를 포획하며, 적어도 하나의 바퀴에 있는 모터로 전기 에너지를 이송한다.

청구항에 의해 정의된 것과 같은, 본 발명의 다른 관점 및 특징들은, 첨부한 도면과 함께 발명의 상세한 설명에 의해 제한되지 않음은 당업자들에게 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일부 구현예에 따른 차량 및 차량을 추진하기 위한 시스템의 일 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일부 관점에 따른 도 1의 시스템의 일 예의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 3A는 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기 시스템의 블록 다이어그램의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3B는 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기 시스템의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3C-3D는 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3E는 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3F는 본 발명의 일부 관점에 따른 도 1의 발전기의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3G는 본 발명의 일부 관점에 따른 작동 중에 있는 발전기의 일 예를 나타낸 것이다.
도 4A 및 4B는 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기의 다른 예들을 묘사한 것이다.
도 4B는 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4A의 발전기에 의하여 발생한 신호의 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일부 관점에 따른 발전기의 다른 예를 나타낸 것이다.

이어지는 구현예들의 상세한 설명은 본 발명의 특정한 구현예를 묘사한 도면을 참조로 할 것이다. 다른 구조나 동작을 가지는 다른 구현예들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는다.

도 1은 본 발명의 일부 구현예에 따른 차량(50) 및 차량을 추진하기 위한 시스템(100)의 일 예를 나타낸 것이다. 상기 차량은 차체와 상기 차량의 차체를 운송할 수 있는 적어도 하나의 회전 부재를 포함한다. 차량은 적어도 하나의 회전 부재에 의해 추진될 수 있는 임의의 이동 장치로 이해되어야 한다. 예를 들면, 차량은 자동차, 트럭, 이륜차, 기관차, 보트, 트레일러, 골프-카트 등 일 수 있다.

설명의 편의를 위하여, 바람직한 차량을 자동차(50)로 나타냈다. 상기 자동차(50)는 자동차 차체(52) 및 4개의 회전 부재(예컨대, 바퀴(54))를 포함한다. 상기 바퀴(54)는 상기 차체(52)에 관한 것을 지지하고, 움직이기 위한 것이다.

상기 차량의 상기 회전 부재는 바퀴(54)로 제한되지 않으며, 비행기의 프로펠러 또는 보트의 모터 등 차량의 추진을 촉진하는 다른 메커니즘일 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 상기 회전 부재는 상기 차량을 움직이기 위한 동력 장치에 연결된 임의의 장치일 수 있다.

시스템(100)은 회전 부재에 부착되며, 이하에서 논의할 바퀴(54)를 회전하기 위해 전기를 생산하는 발전기에 압축된 공기를 제공하도록 구성된다.

시스템의 다양한 구현예들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 다중상 물질(multiphase materials; MPM)을 이용하는 발전기 시스템이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일부 구현예에 따른 도 1의 시스템(100)의 일예의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 시스템(100)은 본 명세서에서 기술한 구성요소들 중 하나 이상을 포함하거나 상기 기술한 구성요소들보다 더 포함할 수 있다. 도 2에 나타난 바람직한 시스템(100)은 공기 압축기(air compressor)(102), 저장 탱크(storage tank)(104), 고속응답 밸브들(fast acting valves)(106), 라운치 튜브(launch tube)(108), 다중상 물질(MPM) 러너스(multiphase material runners)(110,110'), 전기 발전기(112), 에너지 저장 회로들(energy storage circuits)(114), 전원 제어장치(power controller)(116), 디지털 제어기(digital controller)(118), 구동 컴퓨터(driving computer)(120), 인휠모터(in-wheel based motor), 구동 컴퓨터(120)를 위한 제어 인터페이스(control interface)(124) 및 환경 센서(environmental sensors)(126)를 포함한다. 이러한 구성 요소들은 도 2에 도시한 바와 같이 상호 연결되어 있다.

일부 구현예에 따른 에너지 프로세스의 일반적인 개요에서처럼, MPM(107)은 라운치 튜브(108) 내로 충진된다. 저장 탱크(104) 내에 저장되는 압축된 공기는 고속응답 밸브들(106)에 의하여 라운치 튜브(108) 안으로 빠르게 주입된다. MPM(107)이 움직이기 시작하자마자 상기 공기는 충격파를 생성하며, 상기 충격파는 MPM(107)과 함께 라운치 튜브(108)의 바닥에서부터 위로 퍼져나가도록 생성되고, 이와 반대 방향으로 움직이는 강하 파동(depression wave)도 생성되는데, 이 강하 파동은 라운치 튜브(108) 내에서 MPM(107)을 빠르게 움직여 라운치 튜브(108)를 통과해 발전기(112)에 도달하도록 한다. 전기 에너지는 발전기(112)에 의하여 포획되고, 자동차를 위하여 전자 장치에 전송된다. MPM(107)이 발전기(112)를 통하여 또는 발전기(112) 밖으로 이동한 후에, MPM(107)은 MPM 저장소로 돌아가거나, 재사용할 수 없는 MPM은 폐기된다. 이러한 상기-설명한 공정 개요는 본 발명 공정의 일 예이고, 다양한 다른 단계들 및 변경 가능한 단계들이 이 공정에 포함될 수 있음은 자명하다. 다음은 본 발명의 몇몇 관점들의 더욱 상세한 설명이다.

일부 구현예에서의 발전기 시스템의 부품들에 대한 논의는 도 2-3G를 참조로 하여 이하에서 논의할 것이다.

어떠한 종류의 공기 압축기(102)도 상기 시스템에서 사용될 수 있다. 일 구현예에서 그것은 피스톤 압축기일 수 있고, 다른 구현예에서 그것은 스크류 타입 압축기일 수도 있다. 상기 공기 압축기(102)는 저장 탱크(104) 안에 가스를 저장하고, 가스가 라운치 튜브(108)로 이송될 준비가 될 때까지 그러한 저장 탱크(104)를 압축한다. 일 구현예에서, 상기 공기 압축기(102)는 온 보드 압축기(on board compressor)이기 때문에, 차량에 장착될 수 있고, 따라서 상기 공기 압축기(102)는 경량이면서 고성능이어야 한다. 상기 공기 압축기(102)는 디지털 제어기(118) 및 저장 탱크(104)와 상호 연결(communicative)될 수 있어야 한다.

저장 탱크(104)는 압축된 공기를 저장하고 디지털 제어기(118) 및 고속-응답 밸브들(106)과 상호 연결된다. 상기 저장 탱크(104)는 경량과 내구성을 유지하기 위한 구성 물질로 제조될 수 있다. 저장 탱크가 충돌 또는 교통사고의 경우에 폭발할 가능성을 막기 위하여, 탱크의 구조는 압력을 한번에 줄여 폭발하는 것이 아니라, 서서히 압력을 낮추도록 설정된다.

고속 응답 밸브(106)는 저장 탱크(104)로부터 압축된 공기를 전달받아, 발전기(112)에 정기적인 주기로 압축된 공기를 분배하는 분류기(distributor)로서 작동한다. 상기 고속 응답 밸브들(106)은 상기 MPM(107)을 활성화시키기 위하여 빠르게 작동한다. 각각의 정기적인 주기에 상기 고속 응답 밸브들은 압축된 공기를 MPM을 보관하고 있는 캐비티(cavity)(라운치 튜브와 동등한)로 방출한다. 이 방출은 노즐-말단에서부터 다시 캐비티의 바닥 쪽으로 순차적으로 진행된다. 상기 작동 중인 응답 밸브 아래에 MPM을 두기 위해서는 순차적 공정이 정기적으로 이루어져야 한다. 상기 캐비티의 바닥을 향해 순차적으로 진행됨에 따라, 응답 밸브 위의 MPM은 압축된 공기의 위치 에너지로부터 변환된 운동 에너지를 운반하는 노즐에 의해 쏘아 올려진다.

압축기(102)로부터 라운치 튜브(108) 안으로의 공기 압력의 방출은 라운치 튜브 전체에 충격파를 생성하고, 그로 인해 MPM은 라운치 튜브 밖으로 발전기(112)를 향하여 위쪽으로 빠르게 이동할 것이고, 강하 파동(depression wave)이 생성될 것이다. 상기 MPM이 라운치 튜브의 위쪽으로 움직임에 따라, 움직이는 MPM의 운동 에너지가 정전기 에너지로 변환되며, 이 MPM은 결국 발전기(이하에서 논의할)에 의해 포집된다.

본 발명에 사용될 수 있는 바람직한 라운치 튜브(108)는 계류 중인 미국 특허 출원 제12/476,555호에 기재되어 있으며, 이는 명세서 전체가 참조로서 본 발명에 통합된다. 도 3E에 나타낸 바와 같이, 상기 라운치 튜브(108)는 물질(예컨대, MPM)을 받아서 저장할 수 있고, 압력을 받을 수 있는 어떠한 컨테이너일 수 있다. 상기 라운치 튜브(108)는 어떠한 모양 및 크기일 수 있다. 예를 들어, 상기 라운치 튜브(108)는 원통형의 형상일 수 있다. 라운치 튜브(108)의 적어도 한 부분은 처음에 비어있다. 라운치 튜브의 몸체는 금속(예컨대, 강철, 알루미늄 등), 플라스틱(예컨대, PVC) 등을 포함하는 어떠한 종류의 물질로 구성된다. 일 구현예에서, 라운치 튜브(108)는 속이 빈 파이프 또는 플라스틱 튜브이다. 상기 라운치 튜브(108)는 MPM 및/또는 압축된 공기/가스를 받기 위해 적어도 하나의 오프닝(108)을 가진다. 예를 들면, 상기 라운치 튜브(108)는 고속 응답 밸브들을 통하여 압축된 가스를 받기 위한 다중 오프닝을 가질 수 있고, 상기 라운치 튜브(108)는 또한 저장소로부터의 MPM 및/또는 사용되어 라운치 튜브(108)로 되돌아 갈 MPM(예를 들면, 밸브를 통하여)같은 MPM(107)을 받기 위해 다른 오프닝을 가질 수 있다

상기 라운치 튜브(108)는 MPM(107)의 균일한 흐름을 만들기 위한 균일 흐름 시스템(uniform flow system)을 포함할 수 있다. 이러한 균일 흐름 시스템은 라운치 튜브 내에 위치하여 MPM이 발전기(112)에 이르렀을 때, MPM의 균일한 층류(uniform laminar)를 만든다. 상기 시스템은 도 3G에 도시한 바와 같이 디퓨저(diffusers) 및 이퓨저(effusers)(113)의 시리즈같은 어느 장치 시스템일 수 있다. 이러한 디퓨저 및 이퓨저(113)는 MPM 흐름에 벤츄리 효과(Venturi effect)를 만들어, MPM이 상기 발전기(112)로 균일하게 흐를 수 있도록 한다. 일 구현예에서, 그러한 이퓨저는 첫 번째 오프닝(first opening) 및 두 번째 오프닝(second opening)을 가지며, 첫 번째 오프닝과 두 번째 오프닝의 표면적이 동등한 일반적인 원뿔(conical) 형상을 가진다. 이용할 수 있는 바람직한 발전기의 상세한 설명과 관련하여 후에 더욱 심도있게 논의될 다양한 구현예에 따른 두 개의 인접한 자석 사이에 형성된 자기장 영역으로, 이 이퓨저는 MPM을 인도한다.

상기 디퓨저 및 이퓨저(113)는 MPM의 흐름을 MPM이 발전기의 내부 벽에 가하는 부식 효과를 최소화하기 위한 방식이 되게 한다. 상기 디퓨저 및 이퓨저는 또한 난류를 감소시키고, 발전기 내부 구조 주변에 균일한 층류를 형성한다. 상기 디퓨저 및 이퓨저는 또한 MPM의 그룹핑 효과(grouping effect)를 감소하거나 제거하고, 상기 MPM을 상기 라운치 튜브(108)의 중앙 부분에 집중되도록 한다.

일부 구현예에서, 상기 MPM(107)은 다중상 조성물 구조(예컨대, 가스, 고체 및/또는 가스 및/또는 유체 등과 결합한 유전성 물질)를 가지는 어떤 물질이다. 그러한 MPM의 예는 모래 및 가스 혼합물을 포함한다. MPM 물질의 다른 예로는 석영(quartz), 플라스틱 및 적어도 하나의 다른 상을 가지는 물질과 혼합한 것을 포함한다. 일 구현예에서, MPM은 다양한 요소들이 서로 결합하여, 그러한 결합이 끊어질 때 에너지를 방출하는 어떠한 물질을 포함한다. 상기 MPM은 0 보다 크고 1 보다 작거나 같은 공극률을 가진다. 라운치 튜브(108)의 내부 공간의 적어도 일부분 또는 전체는 MPM으로 채워진다.

또 다른 구현예에서, MPM은 흡착(adsorption) 등의 다른 물성들을 가진다. 그러한 물성들의 존재 하에서, 결합의 끊어짐은 단지 물질의 표면에서만 발생하여, 기계적인 구조는 온전할 수 있고, 물질은 교체 없이 오랜 기간 사용될 것이다.

도 3E 및 3G에 나타낸 바와 같이, MPM이 공급 호퍼(supply hopper) 또는 다른 소스로부터 라운치 튜브(108) 내에 위치한 후에, 상기 고속 응답 밸브는 저장 탱크(104)로부터 압축된 공기를 사용하여 정기적인 시퀀스(sequence)로 작동한다. 상기 압축된 공기의 순차적인 주입은 충격파 및 이와 반대 방향인 강하 파동을 생성하고, 이것은 MPM을 라운치 튜브를 통하여 빠른 속도로 이동하게 하여 MPM 물질에 운동 에너지를 부여한다.

상기 러너스(110, 110')는 상기 발전기(112)와 연결되어 있다. 상기 러너스는 첫 번째 세트의 러너스(110) 및 리턴 세트의 러너스(110')를 포함한다. 이들 러너스는 MPM을 발전기로 그리고 발전기로부터 이동시킨다. 첫 번째 세트의 러너스(110)는 라운치 튜브(108)의 끝 부분이지만 상기 발전기(112)의 입구 앞에 설치될 수 있다. 이전의 논의에서와 같이, 압축된 공기는 MPM을 라운치 튜브를 통하여 발전기로 이동하도록 한다. 리턴 세트의 러너스(110')에 대하여, 이러한 러너스는 MPM 공급 호퍼로 향하는 리턴 경로(return path) 상의 발전기 뒤에 설치된다. 상기 리턴 러너스는 MPM이 발전기를 통해 이동한 후에 리턴 경로를 형성한다. 상기 리턴 러너스(110')는 MPM과 공기를 분리하고, 분리된 공기는 시스템으로부터 배출되고, 상기 MPM은 다음 순환을 위하여 포집된다.

상기 발전기(112)는 MPM이 발전기(112)를 통하여 이동하는 것에 기반하여 전기적 에너지를 발생시키는 어떠한 장치일 수 있다. 사용할 수 있는 발전기의 다양한 구현예들이 추후에 논의될 것이다. 예를 들면, 충전된 MPM은 상기 발전기를 통하여 이동할 수 있고, 발전기의 전극은 전자를 수집하여 전력을 생성할 수 있다. 다른 구현예들은 뒤에서 논의할 것이다. 그럼에도 불구하고, 상기 발전기가 전기 에너지를 모은 후, 그러한 에너지는 에너지 저장 회로 등의 전기 회로(electrical circuits)로 이송된다.

발전기에 의해 생산된 전력은 차량 수요에 의존적일 수밖에 없다. 운전자가 가속 또는 감속함에 따라, 발전기의 사이클 타임은 앞서 설명한 축전기/조절 장치(regulator) 회로로 흐르는 전류의 안정적인 소스를 유지하도록 조정되어야 한다. 발전기 사이클의 타이밍은 디지털 제어기(digital controller)에 의해 조절된다. 상기 디지털 제어기는 구동 컴퓨터(driving computer), 환경 센서(environmental sensors) 및 전원 제어장치(power controller)로부터 저장된 에너지에 대한 차량의 수요를 조절하면서 피드백 루프(feedback loop)로서의 역할을 하고, 고속 응답 밸브의 사이클 타임을 증가 또는 감소시킴으로써 전력의 생산을 조절한다. 발전기 내부에서, 상기 고속응답 밸브는 압축된 공기를 MPM을 보관하고 있는 캐비티(cavity)로 방출한다. 상기 방출은 라운치 튜브(캐비티)에 근접한 말단에서부터 라운치 튜브의 다른 말단으로 되돌아가는 발전기로의 순차적 공정이다. 작동 중인 응답 밸브 아래 MPM을 붙잡기 위해서는 순차적인 공정이 정기적으로 이루어져야 한다. 라운치 튜브의 바닥을 향하여 순차적으로 진행됨에 따라, 응답 밸브 위의 MPM은 라운치 튜브 및 균일 흐름 시스템을 통하여 쏘아 올려지고, 상기 MPM은 압축된 공기의 위치에너지로부터 변환된 운동 에너지를 전달한다.

에너지 저장 회로(114)의 경우, DC/DC 변환기(converter)는 차량 제동 시스템(bracking system)에 의해 회수되는 어떠한 에너지와 마찬가지로 발전기(112)로부터 생산된 전기 에너지를 모으고, 그러한 에너지를 에너지 저장 회로(114)에 저장한다. 상기 에너지 저장회로(114)는 에너지를 저장할 수 있는 어떠한 회로일 수 있으며, 배터리, 연료 전지, 압축된 공기 및 전기 에너지를 저장하기 위한 어떠한 다른 수단에 제한되지 않는다. 그러나 차량의 에너지 저장의 대부분은 압축된 공기의 형태이기 때문에, 이러한 에너지 저장의 다른 수단은 다른 설계에서 그것들을 찾는 것보다 훨씬 적다. 자동차 장치에서, DC 에너지가 생산되며, 업컨버터(Up convertor)는 고(higher) DC 전압, 표준 DC/DC를 변환하기 위하여 사용된다. 발전기 AC의 다른 장치들이 필요할 수 있기 때문에, DC/AC 컨버터가 사용될 수 있다. 위상(phase)과 주파수(frequency) 모두 동기화(synchronization)를 필요로 하는 전력 분배 그리드(power distribution grid)에 전기를 제공하는 예시가 될 수 있다.

전원 제어장치(power controller)(116)의 경우, CMOS 및/또는 기타 회로(circuitry)는 바퀴(54)와 연결된 모터에 에너지를 전송하기 위한 양방향 회로를 포함한다. 상기 모터는 추후에 논의될 것이다. 상기 CMOS 및/또는 기타 회로는, 바퀴가 작동하지 않을 때 전기 에너지를 회수할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 회로는 회로 및 토크 센서(torque sensors)로 디지털 모터를 조절한다. 이러한 회로는 저장 축전기(예컨대, 배터리)로부터 모터로 에너지를 전송할 수 있을 뿐 아니라, 모터가 감속 또는 가동하지 않는 동안에 저장 축전기로 에너지를 다시 전송하게 한다. 따라서, 모터가 작동하지 않을 때 에너지의 회복이 가능하다.

상기 디지털 제어기(118)는 모든 필수적인 회로를 조절하고, 동기화 및 전반적인 시스템(100)의 순조로운 에너지 흐름을 유지하도록 하는 주된 제어기이다. 시스템 신뢰도는 부품 및 서브시스템의 중복을 통합하고, 병렬회로 설계(parallel circuitry design)에서 오는 시스템 실패의 확률을 줄이는 것을 활용함으로써 향상된다. “감시(Watch-dog)" 요소는 부품 또는 서브시스템의 고장을 모니터하고, 자동으로 실패한 아이템의 병렬 백업(parallel backup)을 이동시키는데 사용된다. 그러한 시스템 및 서브시스템은 구동 프로세서가 될 수 있고, 모든 데이터 상호 간 교환 메커니즘은 본 명세서에 통합될 수 있다.

상기 디지털 제어기(118)은 발전기를 제어하고, 방전 과정(discharging process)과 함께 충전 사이클(charging cycle)을 동기화한다. 이 제어기(118)의 다른 기능은 시스템(100)의 운전자(operator)(150)로부터 신호 제어 및 전체적인 시스템(100)의 시퀀스로 메커니즘의 방향을 전환하는 것이다.

구동 컴퓨터는 기본적으로 차량이 "와이어에 의한 주행(Drive by Wire)" 자동차가 될 수 있도록 하는 마이크로프로페서-제어 유닛이다. 운전자(operator)가 차량의 제어기(controls)를 조정하면, 이들 입력 장치("가속 페달(gas pedal)", 브레이크, 조향 장치(steering) 등)는 디지털 제어기의 요구(demands)를 수행하기 위하여 발전기 사이클 타이밍(generator cycle timing), 에너지 회수 제동 시스템(energy recovery braking systems) 및 어쩌면 환기 팬(ventilation fans)까지도 차례로 조정하여 여분의 전력이 최대의 가속 중에도 이용 가능하도록 구동 컴퓨터에게 지시한다. 구동 컴퓨터는 다양한 시간 도메인 변수에 따라, 더 많은 전력(가속), 더 적은 전력(감속) 또는 완전한 정지를 요구하는 주행 매체(driving media)(바퀴 154) 및 제어기(124)(기본적으로 운전자(150))로부터 데이터를 처리하고 비교한다. 이러한 비교 데이터는 처음에는 단일 "요구(demand)" 스트리밍(streaming)을 발생(develop)시키는데, 여기서 디지털 제어기(118)는 동력 장치(power plant) 수요 및 저장을 조절 및 계획하기 위한 것임을 고려할 때, 상기 흐름을 처리할 것이다.

인휠모터(in-wheel based motor)(나타내지 않음)는 상대적으로 안정한 모터일 수 있다. 기어, 피스톤 등의 화석 연료 모터의 이동 부재(moving parts)를 통해 에너지를 전달하기보다는, 본 발전기(112)에서 생산된 전기가 각 바퀴 내 모터로 전달될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 시스템(100)은 열 방지 회로(heat prevention circuits) 및 공기 스프링 베어링 시스템(air suspended bearing system)과 함께 완전하고 통합된 디지털 제어기를 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 상기 바퀴 기반 디지털 모터는 차량을 늦추기 원하는 때와 장소에서 이중-용도의 스텝 모터가 될 수 있고, 모터의 스테이터 코일(stator coils)이 전기 발전기로서의 역할을 할 수 있도록 회로가 변환된다. 생성된 역기전력은 차량을 멈추게 할 뿐만 아니라, 앞에서 기술한 대로 에너지 저장 시스템(114) 내에 재생 및 저장될 수 있는 전기 에너지로 차량의 운동에너지를 변환할 수 있다. 마찰 및 열에 의해 효율이 감소할 수 있는 기어 및 전송 시스템(transmission system)을 사용하는 대신에, 혁신적인 방법이 다이렉트 드라이브 모터(direct drive motor)에 연결되도록 사용되는데, 바퀴(54)의 통합된 요소로서 구축될 것이다. 그러한 설계는 기어 및 이동 장치(shifting mechanism), 일정한 윤활 및 방열(heat dissipation)과 관련한 어떠한 마찰이라도 피할 것이다. 기어 구동 시스템(gear driven systems)에서, 기계적인 마찰 탓에 겨우 30%의 효율성이 달성된다. 완전한 합성 오일 윤활제를 가지는 현대의 시스템은 거의 60%의 효율성 장벽에 근접한다. 본 시스템은 어떤 중간 기어 및 이동 장치, 윤활(lubrication) 및 관련 효율 손실 또는 중량 및 열 손실을 포함하지 않을 수 있다. 바람직한 모터는 볼 베어링 휠 서스펜션(ball bearing wheel suspension)이 구비된 림-내장(rim-built) 모터가 될 수 있다.

환경 센서(126)는 생산, 저장 및 전기 에너지 사용 과정을 최적화하기 위하여, 온도, 습도, 운전 조건, 해발고도 등의 환경 변수의 전부 또는 대부분을 수집할 수 있다. 센서는 운전 조건을 포함한 현재의 환경 관측을 제공한다. 가장 중요한 환경 변수는 전체 구동 트레인의 최적화 및 제어를 위한 추가적인 계산과 고려를 위해 시스템(100)에 입력될 수 있다.

발전기(112)의 다양한 구현예들을 여기에 설명하였다. 그러한 발전기 시스템의 3가지 바람직한 구현예가 사용될 수 있으며, 명세서에 설명하였다.

1) 영구 또는 일시 자석 및 유전성 MPM을 사용하는 자기-유체역학 발전기(magneto-hydrodynamic generator)

2) 코일 및 연자성(magnetically soft) MPM을 사용하는 발전기; 및

3)코일 및 영구 자기장 MPM을 사용하는 발전기.

MPM을 이용하는 발전기 시스템의 다른 다양한 구현예 역시 본 발명의 범위 내에 속하는 것은 자명하다. 이러한 시스템 각각을 하기에 설명하였다. 본 발명에 사용될 수 있는 바람직한 전기 발전기들은 참조로서 본 명세서에 통합되는 미국 가출원 번호 제61/110,737호 및 제61/170,869호에서 설명하였다.

영구 또는 일시 자석 및 유전성 MPM 을 사용하는 자기-유체역학 발전기( magneto - hydrodynamic generator )

일 구현예에 따라, 전기 발전기 시스템(300)은 두 개의 서로 다른 부분들(117,119)을 포함할 수 있다. 전기 발전기의 바닥(115)은 라운치 튜브(108)의 말단에 부착되고, 두 서로 다른 부분은 발전기 바닥으로부터 원뿔형으로 바깥을 향해 확장된다. 상기 발전기는 또한 도 3C, 3E 및 3F에 도시한 바와 같이, 두 개의 자석을 포함한다(즉, 북극(121) 및 남극(123)). 이들 자석(121, 123)은 두 개의 구별된 자석이거나 한 자석의 양쪽 말단일 수 있다. 이와 관계없이, 이들 자석(121, 123)은 상기 발전기(112)의 바닥 및 상기 라운치 튜브(108)의 말단 바로 위에 위치한다. MPM의 균일한 흐름은 두 자석들(121, 123) 사이를 이동하여 MPM은 자기장에 노출된다. 이것은 도 3F에 나타낸 바와 같이, MPM이 자기장에 수직인 두 방향으로 분리되는 것을 야기한다.

일반적인 개요에서와 같이, 상기 전기 발전기(112)는 MPM이 라운치 튜브로 방출되었을 때, 정전기 에너지 및/또는 움직이는 MPM의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이를 위하여, 상기 발전기(112)는 도 3E에 나타낸 바와 같이, 두 반대쪽 부분(117)의 각 말단에서 메쉬(mesh) 및 전극(요소 131로 축약하여 나타냄)을 포함한다. 대전된(electro-charged) MPM이 메쉬와 전극들(131) 가까이 지남에 따라, 상기 MPM은 메쉬 쪽으로 이끌리고, 이온화된 전극은 후에 전기 회로로 전달되는 전극이 된다. 그 후에, MPM으로부터 정전기 에너지가 방출되고, 사용한 MPM은 재사용을 위하여 MPM 공급 호퍼로 되돌아간다. 따라서, 전력은 라운치 튜브 내에서 압축된 가스를 MPM에 적용함으로써 발생한다.

앞에서 논의한 바와 같이, 상기 MPM은 미립자 유전 물질로 구성될 수 있으며, 그것의 절연 물성(insulative properties)에 기인하여 위에서 논의한 바와 같이 그것이 라운치 튜브로부터 쏘아짐에 따라 전하를 성장시킬 것이다. 이러한 방식으로 균일 흐름 시스템(예컨대, 인터록킹 노즐(interlocking nozzles)의 시리즈)은 MPM이 유전성 MPM 물질의 이온화를 극적으로 증가시킴으로써 MPM의 운동에너지로부터 DC 전하로의 전환율을 최적화하는 방식이 되게 한다. 게다가 앞서 논의한 바와 같이, 상기 균일 흐름 시스템은 MPM의 흐름이 발전기 내부 벽에 영향을 주는 MPM의 부식효과를 최소화하는 방식으로 디자인되었다. 물질의 전기음성도(electronegativity)에 의존하여, 이러한 균일 흐름 시스템은 MPM의 상당 부분이 양성 전하로 성장하도록 할 것이며, 동일한 부분이 음성 전하로 대전될 것이다.

도 3C-3G에 나타낸 바와 같이, 대전된 MPM의 "플륨(plume)"은 강한 네오디뮴 희토 자석(Neodymium rare earth magnet)등의 자석에 의해 제공되는 자기장으로 들어간다. 상기 입자들은 하기의 로렌츠 방정식(Lorentz Equation)으로 표현되는 힘을 받는다.

여기에서 q는 전하, v는 속도 벡터, B는 자기장 벡터이다. 이 힘은 양과 음 전하를 서로 반대 방향으로 움직여 장과 속도 벡터의 오른쪽 각에 위치한 전극들에 의하여 포집되는 곳으로 향하게 한다. 이 힘에 의해 생산된 표면 전하 밀도σ는

에 의해 주어지는 전기적 포텐셜을 수득하며, 상기 식에서 d는 전극 간 거리이고, e는 자유 공간의 유전율로서 전기장 세기를 얻는 상수이다. 이 전기장이 강하게 형성됨에 따라, 대전된 MPM은 그것의 운동 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환하면서 느려지게 되고, 전기 에너지는 나타낸 축전기에 저장된다. 조절기에 의해 일단 조절된 상기 에너지는, 자동차 모터 및 앞의 발전기를 가지는 전자 장치에 전원으로 사용되어 진다.

코일 및 연자성 ( Magnetically Soft ) MPM 을 사용하는 발전기

앞에서 언급한 바와 같이, 앞에서 설명한 상기 발전기(112)는 전기적 에너지를 발생시키는데 사용할 수 있는 오직 하나의 발전기는 아니다. 다양한 다른 발전기 시스템이 사용될 수 있다.

상기 기술한 발전기(112)를 대신하여 사용할 수 있는 대체 발전기 시스템(400)을 본 명세서에 기술하였다. 본 명세서에 기술한 발전기 시스템은 일시 자기성(temporarily magnetic) MPM을 사용한다. 그러한 일시 자기성 MPM은 높은 자기적 민감성을 가지지만 낮은 유지력을 가지는 “연(soft)” 철 합금(예컨대, “연”철 또는 전자석을 이용하여 자성화될 수 있는 다른 물질)등의 강자성(ferromagnetic) 물질로 구성된다.

일시 자기성 MPM은 라운치 튜브 안에 위치하고, 라운치 튜브 밖으로 발사된다. 상기 일시 자기성 MPM은 일시 자기성 MPM의 "플륨(plume)"이라 불린다.

도 4A 및 4B에 도시한 바와 같이, 일시 자기성 MPM의 "플륨"은 각 MPM 입자의 쌍극자 모멘트를 정렬(align)하는 필드 코일(field coil)(402)를 지나고, 그로 인해 자기화된 물질의 플륨이 되는 극성(polarized) 자기성 “유체”(fluid)(404)를 생성한다. 이 자기성 “유체”(404)는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 기전력이 발생되는 2차 코일(secondary coil)(406)을 계속해서 지나간다. 일부 구현예에서, 필드 코일(402) 및 2차 코일(406)은 각각 중심점을 따라 감겨있는 전선의 연속이다. 특정 구현예에 따라 2차 코일(406)은 필드 코일(402)보다 전선이 더 많이 감겨 있을 수도 있다. 게다가 또 다른 구현예에서는 필드 코일(402)를 위한 추가적인 컨트롤러가 사용될 수 있다(나타내지 않음).

그럼에도 불구하고, 자기화된 MPM의 플륨이 지날 때, 전류의 정현 펄스(sinusoidal pulse)가 2차 코일(도 5)에서 생성되며, 그러한 펄스는 생성된 전기적 에너지를 저장하기 위해 정류기를 지나 축전기를 향해 간다.

상기 라운치 튜브가 MPM으로 “재충진(reloaded)” 되기 위한 시간 간격이 필요한 일 구현예에서, 2차 코일의 전압은 연속적으로 발생되지 않는다는 것이 관찰되었다. 그러나 다른 라운치 튜브가 재충진될 때, 일부 라운치 튜브가 활성화되는 다중 라운치 튜브가 사용되는 경우에, 지속적인 전압 신호가 생성될 수 있는 것은 이 출원의 범위 내이다. 추가적으로 MPM이 지속적으로 라운치 튜브에 채워지고, MPM(유전성 또는 자기성 MPM)이 지속적으로 발전기를 통하여 쏘아지는 지속적인 재충진 과정(continuous reloading process) 또한 본 발명에서 고려된다.

그럼에도 불구하고, MPM은 그것의 운동 에너지가 전기적 에너지로 변환됨에 따라 느려지고, 벤팅 시스템(venting system)에 의하여 포획된다. 그곳에서부터, 앞에서 논의한 바와 같이 중력은 MPM이 공급 호퍼로 다시 들어가게 한다. 또한, 축전기를 필드 코일에 연결함으로써 MPM의 자기화를 증가시킬 수 있는 양성 피드백(positive feedback)이 설정될 수 있다. 이해를 돕기 위해, 이 과정을 보통의 자동차 교류 발전기(automotive alternator)에 비유할 수 있다. 현재, 배터리는 교류 발전기의 하우징 안에 있는 코일의 시리즈에서 자기장을 형성한다. 엔진의 드라이브 벨트에 의해 회전하는 회전자(rotor)가 이 자기장을 통해 움직이고 다시 전류를 만들어내며, 이 전류는 다시 배터리로 흘러들어가 장치의 전반적인 효율을 높인다.

사실상, 자기화된 MPM이 2차 코일로 들어갈 때, 전류가 발생되고 포획되면서 2차 코일은 시스템의 발전기가 된다.

영구 자기성 ( permanently magnetic ) MPM 을 사용하는 발전기

또 다른 대안의 구현예에서, 영구-자기성 MPM(일시-자기성 MPM을 대신하여 또는 추가로)을 사용하는 발전기가 전반적인 발전기 시스템(300)을 위한 발전기(112)로서 사용될 수 있다. 영구-자기성 MPM은 자기장을 발생시키는 영구 자성 물질을 포함한다. 그러한 영구-자성 MPM을 사용하는 것은 MPM 플륨을 자기화하기 위해 필드 코일(402)의 필요성을 없애거나 최소화한다. 상기 영구-자기성 MPM은 일시-자기성 물질과 조합하여 사용될 수 있고, 반드시 균질의 자기성 물질로 제한되어야 하는 것은 아니다.

영구-자기성 MPM을 사용하는 상기 발전기(112)는 필드 코일이 시스템에서 선택 사항이라는 점을 제외하고는 위에 기술한 일시-자기성 물질을 사용하는 발전기 시스템과 동일한 방식으로 작동한다. 예를 들면, 영구 자기성 MPM의 플륨은 앞서 기술한 시스템의 라운치 튜브로부터 발사되어, 필드 코일을 지나지 않고, 도 4에서 도시한 2차 코일로 들어간다. 일 구현예에서, 상기 영구-자기성 MPM 플륨은 자기화할 수 있는 어떠한 물질이라도 자기화하기 위해 필드 코일을 통하여 이동한다. 영구-자기 MPM 플륨이 필드 코일(402)를 통하여 이동함에 따라, 앞에서 설명했듯이, 전류가 생성되며 전력이 받아들여져 사용되거나 저장된다.

MPM을 사용하는 전기 발전기의 다른 구현예도 사용될 수 있으며, 본 출원은 본 명세서에 기술한 구현예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 일부 실시예를 기술하기 위한 목적으로만 이해되어야 하며, 발명을 제한하기 위함이 아니다. 명세서에 기술한 대로, 단수 형태 "하나(a)", "하나(an)" 및 "그(the)"는 상기 내용이 명백히 다른 것을 지시하는 것이 아닌 한 복수형을 포함한다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어 “포함하는(comprise)” 및/또는 “포함(comprising)" 및 ”포함하는(includes)" 및/또는 “포함(including)"는 명시된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성 요소를 특정하나 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소 및/또는 그들의 그룹의 존재 및 추가를 배제하지 않는 것으로 이해된다.

비록 명세서에서 일부 구현예가 묘사되고 설명되었으나, 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 동일한 목적을 달성하기 위하여 설계된 어떤 배열도, 개시된 특정 구현예의 치환이거나, 다른 환경에서 다른 적용을 공개한 것임을 인지한다. 본 출원은 본 명세서의 어떠한 변화 또는 변형이라도 다루기 위함이다. 뒤따르는 청구항들은 여기에서 설명한 일브 구현예들의 범위를 제한하기 위함이 아니다.

Claims

발전기 시스템에 연결되고 그로부터 에너지를 받는 차량을 움직이도록 하는 부재(moving member)를 포함하는 차량을 포함하는 장치:
상기 발전기 시스템은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위하여 다중상 물질(MPM) 및 압축된 공기를 사용하는 것임.
제 1항에 있어서, 상기 발전기 시스템은 라운치 튜브(launch tube) 및 에어 매니폴드(air manifold)를 포함하며, 상기 에어 매니폴드는 압축된 공기를 라운치 튜브에 전달하도록 구성된 것인 장치.
제 2항에 있어서, 상기 라운치 튜브는 MPM 물질 및 압축된 공기를 받을 수 있는 원통형 형상을 포함하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 발전기 시스템은 압축된 공기를 라운치 튜브에 전달하기 위한 공기 압축기를 추가로 포함하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 발전기 시스템은 압축된 공기를 라운치 튜브에 정기적으로 도입하기 위하여 고속응답 밸브(fast acting valves)를 추가로 포함하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 발전기 시스템은 차량을 움직이기 위하여 발생한 에너지를 이동 부재로 전달하기 위한 제어 전자장치(control electronics)를 추가로 포함하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 발전기 시스템은 MPM을 받고, 전기 에너지를 포획하고 상기 전기 에너지를 차량의 전자 장치에 전달하는 발전기를 추가로 포함하는 장치.
제 7항에 있어서, 상기 발전기 시스템은 MPM이 발전기에 의해 받아들여진 후에 받아들여진 MPM에 대한 저장소(reservoir)를 추가로 포함하며, 상기 저장소는 라운치 튜브에 연결되어, 상기 발전기 시스템 내에서 MPM이 재사용될 수 있도록 하는 것인 장치.
제 1항에 있어서, 상기 차량은 자동차 및 자동차의 바퀴를 포함하는 이동 부재를 포함하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 차량은 자동차(car), 트럭, 이륜차, 기관차, 보트, 트레일러 또는 골프 카트 중 어느 하나로 이루어진 것인 장치.
제 1항에 있어서, 상기 MPM은 모래 및 가스 혼합물을 포함하는 장치.
MPM을 발전기 시스템의 라운치 튜브에 제공하는 단계; 및
MPM이 라운치 튜브에서 나와 발전기로 이동할 수 있도록 충분한 힘으로 압축된 공기를 라운치 튜브로 전달하는 단계
를 포함하는, 다중상 물질(MPM)을 사용하는 발전기 시스템을 구비하는 차량을 작동하는 방법:
여기서, 상기 발전기는 MPM을 받도록 구성되고, 전기 에너지를 포획하고, 상기 전기 에너지를 자동차(automobile)의 전기 장치로 이송시키는 것임.
제 12항에 있어서, 상기 압축된 공기를 라운치 튜브에 전달하는 단계는, 압축된 공기를 고속응답 밸브를 통하여 정기적으로 전달하는 것을 포함하는 방법.
제 12항에 있어서, 상기 발전기는 전기 에너지를 에너지 저장 부재에 전달하도록 구성된 것인 방법.
제 12항에 있어서, 상기 발전기는 전기 에너지를 전원 제어장치(power controller)로 전송하도록 구성되고, 상기 전원 제어장치는 자동차 바퀴의 차축(axle)에 전원을 전달하도록 구성되어 바퀴를 회전함으로써 자동차가 움직이도록 하는 것인 방법.
차량을 움직이도록 하기 위한 발전기 시스템 및 회전 부재를 포함하는 차량:
상기 발전기 시스템은 제1말단 및 제2말단을 포함하는 라운치 튜브;
라운치 튜브의 제1말단에 연결된 발전기;
상기 라운치 튜브를 통하여 다중상 물질(MPM)이 발전기로 이동하도록 구성된 운반 시스템(delivery system);
및 차량의 회전 부재를 가지는 발전기에 연결되는 연결 시스템(connection system)을 포함하며, 상기 발전기는 전기 에너지를 생산하기 위하여 MPM 및 압축된 공기를 사용하고, 전기 에너지를 차량의 회전 부재에 전달하는 것임.
제 16항에 있어서, 상기 운반 시스템은 에어 매니폴드, 압축된 공기의 저장소 및 고속응답 밸브를 포함하고, 상기 에어 매니폴드는 압축된 공기 저장소를 라운치 튜브와 연결하여, 압축된 공기 저장소가 고속응답 밸브를 통하여 압축된 공기를 라운치 튜브에 전달하게 하는 것인 차량.
제 16항에 있어서, 상기 MPM은 모래 및 가스 혼합물을 포함하는 차량.
차량을 움직이도록 하기 위한 발전기 시스템 및 회전 부재를 포함하는 차량:
상기 발전기 시스템은 라운치 튜브; 및 상기 라운치 튜브에 연결되고, 다중상 물질(multiple materials; MPM) 및 압축된 공기를 사용하여 MPM의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 포함하며, 상기 발전기는 MPM이 2차 코일에 인접하게 이동할 때 전력이 발생하는 2차 코일을 포함하는 것임.
제 19항에 있어서, 상기 MPM은 연자성 물질을 포함하는 차량.
제 19항에 있어서, 상기 발전기는 연자성 물질이 2차 코일에 근접하게 이동하기 전에 상기 연자성 물질을 자기화하는 필드 코일을 추가로 포함하는 차량.
제 19항에 있어서, 상기 MPM은 영구 자기성 물질(permanent magnetic material)을 포함하며, 상기 2차 코일은 영구 자기성 물질이 2차 코일을 통해 이동할 때 전력을 생산하는 것인 차량.
발전기에 연결된 라운치 튜브를 다중상 물질(MPM)으로 충진하는 단계; 및
MPM을 라운치 튜브에서 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로 쏘아올리기 위하여 압축된 공기를 라운치 튜브로 도입하는 단계
를 포함하는, MPM을 사용하는 발전기 시스템을 구비하는 차량을 작동하는 방법:
여기서, 상기 발전기는 상기 MPM이 발전기의 전극으로 이동하도록 자석을 포함하며, 상기 전극은 상기 MPM이 전극에 근접하게 지나갈 때 MPM으로부터 이온화된 입자들을 끌어당기고, 상기 MPM이 2차 코일에 근접하게 지날 때, 전류가 발생하는 2차 코일을 포함하는 것임.
제 23항에 있어서, 상기 MPM은 연자성 물질을 포함하며, 상기 발전기는 2차 코일에 근접하게 이동하기 전에 상기 연자성 물질을 자기화하는 필드 코일을 추가로 포함하는 방법.
제 23항에 있어서, 상기 MPM은 연자성 물질을 포함하며, 상기 발전기는 2차 코일에 근접하게 이동하기 전에 상기 연자성 물질을 자기화하는 필드 코일을 추가로 포함하는 방법.
제 23항에 있어서, 상기 MPM은 영구 자기성 물질을 포함하는 방법.