KR20150030648A - 에너지의 전달을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

열 에너지의 전달을 위한 장치 및 방법은, 압축성 유체 매질을 지닌 용기 제공하고, 압축성 유체 매질은 압력 경도를 받으며, 압축성 유체 매질은, 압축성 유체 매질을 통해 전파되어 열 에너지를 전달하는 압력 경도 파의 확립을 동반하는 밀도의 변동을 유발할 수 있는 음파에 노출되는 것을 포함하여 설명된다.

Description

에너지의 전달을 위한 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR TRANSFER OF ENERGY}

본 발명은 에너지의 전달을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 열 교환과 관련된 에너지의 전달을 참조한다. 본 발명은 물리적 현상에 기초하며, 압력 경도 파(Pressure Gradient Waves) 또는 간단한 PGW 현상 (PGW phenomenon)으로 더 설명되고 참조될 것이다. 요컨대 청구 발명은 에너지 전달이 탄성 압력 경도 파로 인해 용기 내부에서 제한되는 압축성 유체 매질(매체) 내에서 발생한다는 개념을 기초로 하며, 이는 유체 매질에서 유발된다.

본 발명에 따라 압축성 유체 매질 내부에 압력 경도가 있는 경우 압력 경도 파가 생겨서 압축성 유체 매질을 통해서 전파(propagate)되며, 한편으로 밀도의 변동을 유발한다.

적합한 압축성 유체 매질의 하나로서 가스 또는 가스를 지닌 액체의 혼합물을 사용할 수 있다. 압력 경도(pressure gradient)는 다른 수단에 의해 적용될 수 있는데, 예컨대 유체 매질의 강제 회전, 가속, 감속으로 인한 또는 이온화된 유체 매질 상의 전자기장(electromagnetic field)의 영향으로 인한 동적 경도(dynamic gradient ) 또는 중력 압력 경도(gravitational pressure gradient)일 수 있다. 유체 매질 내의 밀도 변동(density fluctuations)은 음파(sound waves)의 적용에 의해 또는 유도 난류(induced turbulence)에 의해 유발될 수 있다.

압력 경도는 용기 내에서 고압 존(high pressure zone) 및 저압 존(low pressure zone)을 확립(establishing)하는 결과를 초래한다. 에너지 전달은 고압 존을 가열하고 저압 존을 냉각하는 결과를 초래한다. 이런 현상은, 일부 어플리케이션에 있어서, 결국 유체 매질의 직접적인 가열이나 냉각을 위해서 이용될 수 있으며, 또는 그 후에 유체 매질의 운동 에너지로 전환되고 그런 다음 전기 에너지로 전환될 수 있다.

본 발명은 냉장고, 히트펌프, 냉각 시스템, 에어컨, 에너지 생산 설비, 담수화 설비 등 과 같은 다양한 가정용 및 산업용 어플리케이션에 사용될 수 있다. 그러나 가능한 어플리케이션의 목록은 단지 위에서 설명된 실례에 의해 한정되지 않으며, 또한 압력 경도 파가 고려될 수 있는 다른 가능한 어플리케이션이 있다는 것을 명심해야 한다.

공기가 접선방향(tangentially) 및 고압으로 관형 용기로 들어가는게 허용되면, 이 후 용기의 벽 근처는 따뜻해지고 용기의 축(선)(axis)에서는 차가워지는 것이 관찰되는 것으로 알려져 있다. 이런 현상은 어떤 움직이는 기계적 기관(movable mechanical organ)의 도움 없이도 발생하는데, 이것은 소위 랭퀴-힐쉬 효과(Ranque-Hillsch effect)로 알려져 있다. 이것은 1930년에 발견되었으며, 상이한 온도에서 압축된 유체로부터 유체의 두개의 유동을 달성하기 위한 기구 및 방법으로서 US 1952281에서 실례로서 설명된다. 그 이후 이 현상을 실행하는 다양한 장치들이 고안되었다. 이러한 에너지 전달 장치의 그룹은 와류 튜브(vortex tubes)로 알려져 있다. 와류 튜브는 냉각 및 가열이 필요한 매우 다른 어플리케이션에 사용되고 있다.

RO 122506에는 랭퀴-힐쉬 효과에 기초하여 생태 조건 설치 기능(ecological conditioning installation functioning)을 설명하고 있다.

WO2010059751에는 물 분자의 분리를 위한 시스템 및 방법을 설명하고 있는데, 와류 튜브 및 정전기장(electrostatic field)을 지향하여 산소 이온으로부터 수소 이온의 분리를 허용한다.

랭퀴-힐쉬 효과의 많은 다른 어플리케이션이 예컨대 A. Azarov 의 논문 "와류 튜브: 랭퀴 효과로 부터 .... 랭퀴 효과" 에 설명되어있는데, 인터넷 페이지: http://att-vesti.narod.ru/j23-2.HTM.에서 발견될 수 있다.

한편으로는 소위 열 음파 장치(thermo acoustic devices)의 그룹으로 또한 알려져 있는데, 이 기능은 동반되는 단열 온도 진동(adiabatic temperature oscillations)으로 음파에 의해 유발되는 압력 진동(pressure oscillations)에 유체 매질을 노출시키는 것을 기초로 한다. 열 음파 장치의 가능한 어프리케이션 중에 하나는 히트펌프 및 냉각 엔진을 언급할 수 있다.

US4398398에는 음향 정지파(acoustical standing wave)를 지원할 수 있는 압축성 유체를 지닌 관형 하우징을 사용하는 음파 히트 펌핑 엔진을 개시하고 있다. 또한 상기 엔진은 하우징의 일단에 배치되는 음향 구동체(acoustical driver)를 포함하는 반면에 하우징의 타단은 덮여(capped)있다. 제2 열역학 매질은 덮여진 단부 근처에서 덮여진 단부로부터 이격되어 하우징 내에 배치된다.

US4722201에는 공진 압력 용기(resonant pressure vessel)내에 제한되는 압축성 유체가 제공되는 음파 냉각 엔진이 설명되어 있다. 용기 내에 위치하며 유체와 열 소통(thermal communication)을 하는 열역학 요소가 제공된다. 음향 정지파로 유체를 주기적으로 가동시키는 음향 구동체가 제공된다.

JP2005274100에는 열 음향 장치 및 열 음향 시스템이 설명되어 있다.

CN1235224에는 음파 제거(acoustic wave defogging) 방법 및 기구가 개시되어 있다.

US2013042600에는 내연엔진을 위한 음향 감쇠 열교환기(sound attenuating heat exchanger)가 개시되어 있다.

RU2462301에는 분말 고체, 액체, 가스, 현탁액, 분산제 등의 사이에 열-질량-에너지(heat-mass-power exchange) 교환을 위한 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 접선 홈(tangential grooves)을 통해 각각의 와류 튜브와 소통하는 별도의 압력 챔버를 포함한다. 와류 튜브들은 공진 자극의 제어에 대한 가능성이 제공되도록 공진 음향 홀들을 통해 소통한다.

따라서 에너지 전달을 위한 장치를 고안하기 위해 다양한 시도가 수행되었음을 이해할 수 있다. 이런 시도들은 전통적인 와류 튜브 또는 열 음향 장치로 실행되었다.

그러나 가정용 및 산업용 양쪽에 적합할 수 있으며 위에서 언급된 에너지 전달 장치의 각각의 그룹과 관련된 기술적 특징 및 장점들과 결합될 수 있는 에너지 전달을 위한 새롭고 향상된 장치를 고안하는 것이 바람직할 것이다.

위에서 언급된 목적은 열 전달을 위한 장치 및 방법으로서 실행될 수 있는 본 발명에 의해서 달성된다. 일 실시예에서 언급하는 방법은 압축성 유체 매질 내 에서 압력 경도의 생성 및 탄성 압력 경도 파가 생기는 것을 초래하는 유체 매질 내에서 밀도 변동을 동시에 확립하는 것을 포함한다. PGW는 유체 매질 통해서 전파되어 에너지를 전달하여, 결국 고압을 지닌 존의 가열 및 저압을 지닌 존의 냉각을 초래한다.

적합한 압축성 유체 하나로서 가스 또는 가스 및 액체 혼합물을 사용할 수 있다. 수소 또는 단일 원자 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤 또는 다른 불활성 가스가 압축성 유체 매질로서 사용되는 경우에 유리하다.

압력 경도는 다른 수단에 의해 달성될 수 있는데, 예컨대 용기 내에 제한되는 유체 매질의 상대 회전 운동(relative rotational motion)에 의해 달성되므로 원심력이 유체 매질에 적용될 수 있어서 저압 존은 회전축 근처일 것이며, 반면에 고압 존은 용기의 주변일 것이다. 이것을 달성하기 위해 용기 내에서 유체 매질을 회전시키거나 용기 자체를 회전시킬 수 있다.

또한 압력 경도(pressure gradient)는 유체 매질이 곡선형 채널(curvilinear channel), 예컨대 나선형 채널(spiral channel)을 통해 통과함으로서 생성될 수 있다.

압력 경도는 유체 매질이 가속되거나 감속되게 유체 매질을 강제로 좁거나 확장된 채널 또는 노즐을 통과시킴으로서 생성될 수 있다.

압력 경도는 유체 매질의 분출(jets)이 장애물에 충격을 주는 경우에 달성될 수 있다.

압력 경도는 유체 매질이 채널을 통과하는 동안에 유체 및 채널 벽 사이에 점성 마찰이 존재하는 경우 채널에서 달성될 수 있다.

유체 매질 하나에서 밀도의 변동을 달성하기 위해 유체 매질의 초기 탄성 진동을 유발시킬 수 있는 적합한 발생기를 사용해야 한다. 이런 발생기의 실례는 음파(초저주파 및 초음파를 포함하는)의 발생기일 수 있다. 음파의 장점은 유체 매질에서 유발되는 초기 탄성 진동을 쉽고 편리한 제어에 대한 가능성에 있다. 이것은 예컨대 음파의 진폭 및/또는 주파수를 변경함으로써 달성된다.

탄성 진동 개시를 유발시키기 위한 수단은 독립적인 에너지 소스(source of energy)에 의해 활성화(작동)(energized)될 수 있다. 예컨대, 전기에 의해 구동되는 스피커(혼(horn),싸이렌(siren))일 수 있다.

초기 탄성 진동(Initial elastic oscillations)은 기계적 음향 싸이렌을 만드는 것과 유사한 기계적 요소들의 강제 회전(forcible rotating)에 의해 발생될 수 있다.

또한, 휘슬 또는 후트(in whistles or in hoots)로 달성되는 가스 분출은 유체 매질에서 밀도의 변동을 유발시키기 위해 사용된다.

PGW에 의해 전달되는 에너지의 양은 초기 탄성 진동의 진폭에 의존하기 때문에, 음향 반응(sound response )은 에너지 전달 효율을 향상시키기 위해 사용되는 가장 중요한 팩터이다. 공진 상태(resonance conditions)에서, 탄성 진동의 주파수가 용기 내부 볼륨의 고유 주파수와 일치하는 경우, 정지파가 발생하여 탄성파의 진폭은 급격히 증가한다. 따라서, 공진 상태에서, 압력 경도 파의 강도가 더 크다.

본 발명의 일 실시예에서 언급하는 장치는 열 에너지의 공급(supply) 및 배출(evacuation) 양쪽이 가능한 것이 필요하다. 이것을 완수하기 위해 장치 내에 두 영역을 형성하는 것이 바람직하다: 하나는 냉각될 유체의 공급을 위한 것이고, 다른 하나는 가열될 유체의 공급을 위한 것이다.

여기에서, 영역은 벽들에 의해 물리적으로 범위가 정해진(구획 된) 장치의 일부이거나, 벽들에 의해 분리되지 않은 영역일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 저압 또는 고압하에 있다.

PGW는 항상 엄격히 정의된 방향으로 에너지를 전달한다: 저압 존으로부터 고압 존으로. 따라서, 냉각될 유체는 저압의 영역으로 공급되어야하고, 가열될 유체는 고압의 영역으로 공급되어야 한다.

만약 청구된 장치가 오로지 표면의 냉각을 위해, 오로지 표면의 가열을 위해 의도되면, 단지 단일 유체(single fluid)가 사용될 수 있다.

압축성 유체 매질로 채워진 용기 내부에 압력 경도가 생성되며 초기 탄성 진동의 소스(source)가 위치된다.

압력 경도 파는 고압의 영역으로 열의 전달을 보장하며, 한편으로 저압의 영역에 위치된 표면을 냉각하고 고압의 영역에 배치된 용기 벽을 가열한다. 용기 벽으로부터 열을 배출시키기 위해 용기 벽의 외부 표면은 가열될 유체와 접촉해야 한다. 만약 청구된 장치가 오직 표면의 냉각을 위해 의도되면 냉각될 유체는 필요하지 않다.

용기 내에 위치된 압축성 유체 매질은 냉각 또는 가열을 위해 의도된 유체 매질과 혼합할 수 있거나 혼합할 수 없다. 그들 매체들은 세개의 다른 물질일 수 있다.

압력 경도 파에 의해 에너지 전달을 확립하는데는 온도 경도(temperature gradient)가 필요하지 않아서 냉각될 유체 매질의 온도는 가열될 유체의 온도 이하이거나 같게 유지될 수 있다.

압축성 유체 매질로서 가스의 사용으로 인하여 에너지 전달 장치는 어떤 온도 범위 내에서도 작동될 수 있다. 예컨대 더 낮은 온도에서 냉각될 액화 가스의 사용을 고려할 수 있다.

한편으로는 가열에 대한 상한(upper limit)은 장치를 제조하기 위해 선정된 구성 재료의 특성에 의해 한정된다. 다시 말해, 적정한 재료의 선정 및 열적 단열(thermal insulation)을 제공함으로서, 본 발명의 에너지 전달 장치는 특정한 어플리케이션에 따라 매우 낮거나 매우 높은 온도 및 가열 모드나 냉각 모드에서 히트펌프로서 작동될 수 있다.

추가 실시예에서 본 발명의 에너지 전달 장치는 용기로부터 분기하는 파이프가 제공되는 관형 용기(tubular vessel)로서 고안될 수 있다. 분기 파이프(branching pipes)는 단부 중 하나가 막혀있는데, 예컨대, 마개로 막거나 커버에 의해 폐쇄된다. 대향 단부는 개방되어 용기 내부와 소통을 제공한다. 파이프 내에서 유체 매질은 한층 더 가온된다. 만약 압축성 유체 매질 및 가열될 유체 매질이 동일한 물질이라면, 파이프의 막힌 단부(blind ends) 또는 용기의 주변 벽에 작은 홀들을 제공함으로서 열 전달을 강화하는 것이 가능하다. 홀들은 압축성 유체 매질 및 가열될 유체 매질 사이의 열 접촉을 허용할 것이다. 이것을 보장하기 위해, 막힌 단부 압력이 고압 존에서의 압력보다 더 낮다. 홀들의 사이즈 및 갯수는 다음의 조건을 만족시키게끔 경험(empirically)에 의해 선정된다. 홀들을 통과하는 유량(flow rate)은 용기 내의 압력의 감소를 회피하기 위해 너무 크면 안된다. 한편으로는, 열 배출을 강화하기 위해 유량은 증가되어야 한다. 압축성 유체 매질은 홀들을 통과하는 압축성 유체 매질의 손실을 보상하게끔 용기에 수용되어야 한다. 이러한 목적을 위해 하나는 예컨대, 외부 블로워 또는 회전 임펠러 또는 어떤 다른 소용돌이(회전) 수단(swirling means)일 수 있다.

추가 실시예에서 분기 파이프의 막힌 단부에 만들어진 홀들은 압축성 유체 매질로부터의 습기를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이 목적을 위해 추가적인 제2 환형 공간의 범위를 정하는 추가 주변 벽이 막힌 단부에 만들어진 홀들 외부에 배치될 수 있다. 가열될 유체가 제1 환형 공간(first annular space)을 통과할 때 분기 파이프로부터 열이 배출된다.

추가 실시예에서 압축성 유체 매질(compressible fluid medium)의 압력 경도는 가속 또는 감속에 의해 달성된다. 이러한 목적을 위해 노즐이 사용될 수 있다. 이 실시예에서 용기를 두 섹션으로 분할하는 칸막이 벽(partition wall)이 제공된다: 고압 섹션 및 저압 섹션. 적어도 하나의 노즐이 칸막이 벽에 배치되어 압축성 유체 매질이 노즐을 통해 고압 섹션으로부터 저압 섹션으로 흐를 때 가속한다. 이 실시예에서 또한 에너지 전달 장치는 압축성 유체 매질을 순환시키기 위한 블로워(blower) 또는 컴프레셔(compressor)를 포함한다. 이 실시예에서는 노즐을 통과하는 압축성 유체의 감속 또는 가속으로 인해 "관성"압력 경도("inertial" pressure gradient)가 생성된다. 장치는 냉각 또는 가열을 위해 사용될 수 있으며 아르곤이 적합한 압축성 유체 매질로서 사용될 수 있다.

이 실시예의 중요한 장점은 어떤 온도 범위에서도 에너지를 전환하는 능력이있다. 예컨대, 끓는 물이 용기 내부의 압력 및 열 에너지의 소스로서 사용될 수 있다. 120℃-150℃로 가열된 과열 스팀의 분출이 노즐을 통과하여 용기의 저압 섹션으로 진입할 것이다. 이 실시예에서 가열될 유체 매질은 열을 배출할 것이다.

다른 추가 실시예에서 발전기를 지향하여 전기 에너지로 전환될 수 있는 인위적으로 생성된 공기 흐름의 운동 에너지를 이용하는 것이 가능하다.

에너지 전달 장치의 더 추가적인 실시예에서, 열 전달 프로세스를 증가시키기 위해 이온화 가스 또는 고온 플라즈마가 압축성 유체 매질로서 사용될 수 있으며 전자기장에 의해 압력 경도가 생성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지의 전달을 위한 장치에서 어떻게 압력 경도 파가 확립될 수 있는지를 보여주는 개요도이다.
도 2는 베어링의 냉각을 위해 사용되는 경우 본 발명에 따른 에너지 전달 장치의 실시예를 묘사한 도면이다.
도 3은 에어 컨디셔닝을 위해 사용되는 에너지 전달 장치의 실시예를 도시한다.
도 4는 가스의 탈수(dehydration of a gas)를 위해 사용되는 에너지 전달 장치의 실시예를 도시한다.
도 5 및 도 6은 해수의 담수화(탈염)를 위한 시스템에 사용되는 히트펌프로서의 기능을 하는 본 발명의 실시예를 도식적으로 묘사한 도면이다.
도 7 및 도 8은 압력의 경도를 생성하기 위한 노즐을 사용하는 에너지의 전달을 위한 장치의 부분(fragment)을 도시한다.
도 9는 전기 에너지의 발생을 위해 사용되는 본 발명의 실시예를 도시한다.

아래의 도면들은 본 발명의 가능한 실시예들을 개략적으로 도시한다. 모든 실시예들에 대한 일반적인 특징은 용기 내에 제한되는 압축성 유체 매질을 사용하는 것이며 압축성 유체 매질에서 압력 경도 파가 획립되는 경우에 작동하는 것이다.

이런 효과를 달성하기 위해 다음의 조건들의 조합이 만족되어야 한다:

-압축성 유체 매질은 가스(gaseous)이다;

-압축성 유체 매질은 압력 경도(pressure gradient)에 노출된다;

-압축성 유체 매질은 압축성 유체 매질을 통해 전파되는 탄성 음파(elastic sound waves)에 노출되어 압축성 유체 매질의 초기 밀도 변동이 야기되며 결국에는 압력 경도 파의 확립을 초래한다.

-음파는 주파수를 갖으며, 이것은 용기의 공진 주파수와 일치하여 밀도 변동(density fluctuations)의 진폭을 증가시킨다.

도 1을 참조하면, 위에 기재된 조건들이 압력 경도가 강한 중력으로 인해 달성되는 경우의 상황에 대해 묘사되어 있다. 도시된 적합한 구성(set-up)은 압축성 유체 매질(12,compressible fluid medium)로서, 예컨대 아르곤으로, 채워진 용기(10,vessel)를 포함한다. 중력(G)(gravitational force)에 의해 용기 내의 존(14,zone)에는 증가된 압력이 생성되며, 존(16)은 감소된 압력을 지닌다. 측면이 막힌 분기 파이프(18,branching pipe)가 제공되는데, 이곳은 용기와 유체 소통한다. 음파를 발생시킬 수 있는 발생기(20,generator)는 분기 파이프 내에서 막힌 단부에 접근하여 배치된다. 발생기는 용기를 향해 음파를 발산하므로 용기 내에 제한된 압축성 유체 매질은 정지음파(standing sound waves)에 노출되는데, 이는 음압(sound pressure)의 진폭 +ΔP 및 -ΔP 에 의해 한정(defined)된다. 구체적으로 도시되지는 않았지만, 이 구성은 또한 용기 내의 유체 매질의 양을 제어하고 음파의 패라미터(parameters) 등을 제어하기 위한 적절한 제어 및 계기 수단(control and instrumentation means) 뿐만 아니라 발생기를 활성화(작동)시키기 위한 적절한 에너지 소스를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이제 도 2를 참조하면, 에너지 전달 장치의 실시예가 매우 개략적으로 도시되어 있는데, 이는 고속 베어링의 냉각에 매우 적합할 것이다. 한쌍의 베어링들, 예컨대 볼 베어링들(22,24)은 예컨대 모터(미도시 됨)에 의해 회전 가능한 샤프트(26) 상에 고정된다. 샤프트는 관형 용기 내에 위치되며, 원통형 주변 벽(28,cylindrical peripheral wall) 및 두개의 대향하는 플랜지(30,32)에 의해 범위가 정해진다. 플랜지는 스크류로 플랜지 상에 고정되는 각각의 단부 커버들(34,36)에 의해 폐쇄된다. 외부 원통형 벽(38)은 커버들 사이에 위치되어 원통형 벽(28)과 동축으로 제공되어서, 벽(28) 및 벽(38) 사이에 환형 공간 또는 갭(40)이 제공된다. 이 공간은 용기로부터 주변 벽(28)을 통해서 열을 배출하는 동안에 가열을 위해 의도된 유체 매질과 유체 소통한다. 이런 유체 매질은 물일 수 있는데, 환형 공간으로 지속적으로 강제로 흘러들어가고 빠져 나간다. 용기 내에 위치되며 바람직하게는 주변 벽(28)의 내부 표면 상에 배치되는 발생기(42)가 제공되는데, 이는 음파를 발생시킬 수 있다. 용기의 내부 공간은 주변 벽(28) 및 대향하는 플랜지들(30,32)에 의해 범위가 정해지며, 예컨대 공기 같은 압축성 가스의 유체 매질에 의해 채워진다. 샤프트 상에 배치되는 다수의 내로우 블레이드들(44,narrow blade)이 제공되는데, 이는 샤프트를 따라서 길이방향으로 연장되므로 샤프트가 외부 모터(미도시 됨)에 의해 강제로 회전되는 경우 용기 내에서 압력 경도가 확립될 것이다.

고속 볼 베어링은 작동 동안에 상당히 예열(warm up)되며 따라서 냉각되어야 한다. 이 목적을 위해 매우 특별하고 복잡한 냉각 시스템들이 일반적으로 사용된다. 도 2에 도시된 에너지 전달 장치의 실시예는 번거로운 종래의 냉각 시스템들을 단순화하기 위한 것이다.

장치는 다음과 같이 작동한다. 샤프트가 회전하고 블레이드(44)가 빙빙돌아(소용돌이쳐) 공기를 흐르게 하여 압력 경도를 확립한다. 최대 압력은 용기의 주변 벽(28)에 확립되며 최소 압력은 샤프트에 인접하여 확립된다. 발생기(42)가 가동되어 용기 내부가 발생기에 위해 만들어진 음파에 노출된다. 결국 압력 경도 파들이 용기 내에 확립되어, 열을 용기의 중앙 영역으로부터 주변(부)으로 전달한다. 이러한 규정으로 인해, 불 베어링들(22,24) 뿐만 아니라 샤프트(26)가 냉각되며, 한편으로 주변 벽(28)은 가열된다. 환형 공간(40)을 지속적으로 통과하는 물의 흐름은 주벽 벽으로부터 열을 배출(evacuates)시킨다.

따라서 이 실시예는 두개의 유체 매질이 사용되는데, 이는 다른 물질로 제공된다. 그 중 하나는 압축성 가스의 유체 매질(compressible gaseous fluid medium)이며 두번째는 액체의 유체 매질(liquid fluid medium)이다. 가스의 유체 매질로서 공기가 사용되는데, 압력 경도 파에 의해 열 전달을 담당하며, 물이 용기 내의 고온 고압 영역을 지닌 주변 벽(28)을 통한 열 접촉으로 인해 가열될 유체 매질로서 기능을 한다.

이제, 도 3을 참조하여 에너지 전달 장치의 더 추가적인 실시예가 설명될 것이다. 이 실시예에서 에너지 정달 장치는 주거지, 주택 및 산업용 빌딩, 점포 등의 공기를 가열하거나 냉각하기 위한 에어컨으로서 기능을 한다. 장치는 공급 덕트(46)를 포함하는데, 이는 원통형 주변 벽(48) 및 두개의 대향하는 단부들(50,52)에 의해 범위가 정해지는(구획되는) 관형 용기와 흐름 소통한다. 공기는 용기를 통과한 후에 단부(52) 상에 고정된 덕트를 통해서 주거지의 필요한 위치에 공급된다. 공기는 외부로부터 강제로 용기에 공급된다. 공기는 냉각된 후에 항상 용기를 빠져나간다. 따뜻한 날씨 동안에 주거지로부터 공기는 송풍기(ventilator)에 의해 강제로 장치로 들어가게되고 그런 다음 냉각되어 주거지로 되돌려 진다. 날씨가 추운 경우 공기는 에너지 전달 장치를 강제로 통과되고 가열되어 주거지로 되돌려 진다. 주변 공기(외기)는 영구적으로 장치를 강제로 통과된 다음 대기에 방출된다. 여름에는 주변공기가 불필요한 열을 감소시킨다. 겨울에는 주변 공기가 용기를 통과하여 차가워지고 한편으로 난방을 위한 열을 제공한다. 용기 내부는 가스의 유체 매질이 용기에 들어가지 전에 가스의 유체 매질을 소용돌이치게 할 수 있는 임펠러 수단(54)에 의해 공급 덕트로부터 분리된다. 예컨대 벤트(vent) 또는 챔버로서 형성되는 임펠러 수단은 단부(50) 상에 고정되어 접선 나선형 지향 슬롯(tangential helically directed slots)으로 제공되며, 공기가 슬롯을 통과하는 동안 공기의 소용돌이가 야기된다. 제2 소용돌이 수단은, 예컨대 송풍기가 제공된다. 이러한 소용돌이 수단(swirling means)은 용기 내에 위치되며 블레이드를 지닌 샤프트를 포함한다. 양 소용돌이 수단은 모터에 의해 회전된다. 제2 원통형 주변 벽(56)이 제공된다. 이 벽은 용기의 주변 벽(48)과 동축이며 주변 벽(48)으로부터 이격되므로 환형 공간(58,annular space)이 제공되어 벽(48)과 벽(56) 사이를 분리한다. 방사상으로 지향된 다수의 분기 파이프(60)가 환형 공간에 배치되어 분기 파이프의 일단은 용기 내부와 흐름 소통을 하고, 한편으로 대향 단부는 폐쇄되어 주변 벽(56) 상에서 종료된다.

용기와 동축으로 배치된 소용돌이 제거, 예컨대 배플 수단(64,baffle means)이 제공되는데, 이는 공기가 용기로 부터 빠져나오는 경우 공기의 소용돌이를 종료시킨다. 제3 원통형 주변 벽(66)이 제공되는데, 이는 주변 벽(56)과 동축이며 환형 갭(68,annular gap)에 의해 주변 벽(56)으로부터 이격된다. 구체적으로 도시되지 않았지만 공기의 흐름이 환형 공간(58)을 통해서 순환하는 것을 이해할 수 있다. 용기 길이방향 내부에는 음파의 발생기(70)가 고정되어 제공되는데, 이는 용기 내의 공기로 음파를 발산할 수 있다. 용기는 단부(52) 상에 고정된 제2 덕트(72)와 흐름 소통한다. 이 덕트는 주거지에 있는 위치와 흐름 소통하여 냉각되거나 가열된 공기를 제공할 수 있다.

위에서 기재된 구성요소들을 포함하는 에너지 전달 장치는 주거지의 외부에 설치되며, 한편으로 덕트들은 주거지와 흐름 소통한다.

이제 차가워진 공기를 전달하기 위해 도 3에 도시된 에너지 전달 장치의 작동에 대해 고려한다.

소용돌이 수단(54)은 덕트(46)를 통해 주거지로부터 공기를 빨아들여 공기를 강제로 용기로 들어가게 한다. 제2 소용돌이 수단은 공기가 용기를 통과할 때 공기 소용돌이를 유지시킨다. 용기 내에서의 공기의 소용돌이는 주변 벽(48)에서 최대 압력을 지닌 압력 경도를 생성한다. 발생기(70)가 용기 내의 공기에 음파를 발산하여 음파에 노출되면 압력 경도 파가 확립되며, 이는 용기의 주변 벽으로 열 전달을 담당한다. 열은 주변 벽 및 분기 파이프(60)에 부딪치는데, 한편 가열을 특히 분기 파이프 내부에 집중된다. 파이프(60)의 길이 및 직경은 경험(실험)에 의해 선정된다. 환형 갭(58)을 통해 흐르는 외부 공기는 영속적으로 파이프로부터 열을 배출시킨다. 주거지로부터 빨아들인 따뜻한 공기는 용기 내에서 냉각되어 주거지로 되돌려진다. 소용돌이치는 냉기의 흐름은 용기로부터 빠져나오기 전에 배플 수단(64)을 통과하면서 공기 흐름 층류(air flow laminar)로 제공된다. 수분은 용기 내의 냉각된 공기로부터 부분적으로 응축되며 물방울들은 회전에 의해 주변 벽(48)으로 이동하여 분기 파이프(60) 내로 들어간다. 파이프 내에 제공될 수 있는 다수의 작은 홀들은 수분 수집 챔버(62)내로 수분이 수집될 수 있게 한다.

동일한 에너지 전달 장치가 또한 공기 또는 물 가열을 위한 가열 모드에서 작동될 수 있다. 이 경우 주변 공기는 덕트(46)를 통해 펌핑될 것이며 냉각되어 대기로 방출된다. 주거지로부터의 공기 또는 물은 환형 갭(58)을 통해 펌핑될 것이며 가열되어 주거지로 되돌려진다.

도 4에 묘사된 추가 실시예에서 에너지 전달 장치는 예컨대 천연가스의 탈수(dehydration)를 위해 필요할 수 있는 가스의 가열 및 냉각을 위해 사용된다.

가스전에서의 천연가스는 항상 다량의 증기를 함유므로 탈습(dehumidified)되어야 한다. 따라서, 다음이 중요하다: 가스와 물이 접촉하는 동안에 형성되는, 첫째 압력 손실을 최소화하는 것, 둘째 H₂S의 양을 줄이는 것이 중요하다. 실제 트위스터 튜브(Twister tube)로 알려진 장치가 천연가스의 탈수를 위해 사용된다. 이 장치는 Peter Schinkelshoek, Hugh D. Epsom 에 의해 논문에 설명되어 있다: 초음파 가스 조절-2008년 3월2일-5일, 미국 텍사스 그레이프바인, 87회 연례총회 TWISTER^TM 기술의 상업화. 이 장치에서, 첫째 천연가스는 고정 안내 날개(stationary guide vane)에 의해 소용돌이 치고, 그 후 좁은 채널을 통과하면서 상당한 속도로 가속된다. 가속은 압력 및 온도의 저하를 동반하며, 결국 수증기의 분리에 의해 물방울로서 응축된다. 물방울들은 물방울 분리기(droplet separator)에 의해 포획되어 제거되는 한편 단지 소량의 가스를 함유한다.

이 장치의 단점은 다음과 같다:

-가스의 가속에 필요한 압력의 상당한 손실(장치로부터의 배출구 압력이 75 bar 일때, 트위스터 튜브의 유입구 압력은 100bar 이다).

-물 방울들과 가스의 비교적 긴 접촉으로 인한 바람직하지 않은 다량의 수화물(hydrates) H₂S의 형성.

도 4를 참조하면 천연가스의 건조를 위해 사용되는 에너지 전달 장치의 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 장치는 원통형 주변 벽(74) 및 입구 포트(76) 및 출구 포트(78)에 의해 범위가 정해지는, 길게 연장된 관형 용기(72,elongate tubular vessel)로 형성되어 있다. 천연의, 습한 가스는 입구 포트를 통해 용기로 공급되며 용기로부터 출구 포트를 통해 가스가 빠져나가는 동안에 탈습된다. 소용돌이 수단(80)은 입구 포트에 배치되며, 용기로 가스가 들어가기 전에 가스 흐름(gas flow)이 소용돌이 친다. 적합한 소용돌이 수당의 하나로 송풍기 또는 나선형 접선 슬롯(helical tangential slots)을 지닌 챔버를 사용할 수 있다. 소용돌이 제거(de-swirling) 수단, 예컨대, 배플 수단(82)이 제공되는데, 이는 소용돌이가 더 진행하기 전에 가스 흐름 층류를 제공하게끔 출구 포트(78) 이전에 배치된다. 적합한 배플 수단의 하나로서 격자판(grid) 또는 적어도 하나의 가로대(crosspiece)가 사용될 수 있다. 음파의 발생기(84)는 용기 내에 위치된다.

발생기는 적절한 동력원(power source)에 의해서 활성화되며, 발생된 음파에 따라 발생기의 전기적 패라미터를 제어하기 위한 적절한 계기 장비(미도시 됨)가 제공된다. 이러한 규정(provision) 덕분에 용기를 통과하는 가스의 흐름이 음파에 노출된다. 제2 원통형 주변 벽(86)이 제공되는데, 이는 벽(74)과 동축이며 거리를 두고 있어서 환형 갭(88)이 벽(74)과 벽(86) 사이를 분리한다. 적어도 하나의 분기 파이프(90)가 벽(74) 상에 배치되어, 갭(88)으로 방사상으로 돌출된다. 파이프의 일단은 용기와 흐름 소통하며, 한편으로 대향 단부는 폐쇄된다. 작은 홀들(small holes)이 분기 파이프의 폐쇄된 단부에 만들어져서 환형 갭과 흐름 소통을 허용한다.

출구 포트(78) 근처에 위치된 제2 출구 포트(92)는 갭(88)으로부터의 유체 매질의 배출을 위해 제공된다.

이 실시예에 따른 에너지 전달 장치는 다음과 같이 작동된다.

증기를 함유하는 천연가스는 입구 포트(72)를 통해 용기에 들어가게 허용되며, 그 후 소용돌이 수단(76)을 통해 진행한다. 가스의 방향은 화살표로 묘사되어 있다. 가스가 소용돌이 수단을 통과할 때 압력 경도가 용기 내에서 확립된다. 압력은 원통형 벽(74) 근처 주변에서 최대이며; 한편으로 용기 축에 인접하여 압력이 최소로 된다. 용기로부터 빠져나가기 전에 가스 흐름은 배플 수단(82)을 통과하게 되어 층류로 제공된다.

발생기(84)가 음파를 용기 내로 발산하므로 압력 경도 파는 소용돌이치는 가스 흐름에 확립된다. 파동은 용기의 중앙 존(central zone)으로부터 주변 벽(74)으로 열 에너지를 전달한다. 초기 음파는 고용량(high capacity)을 가져야 한다. 이것은 발생기에 공급되는 동력의 증가 및/또는 공진 주파수의 선정에 의해 달성될 수 있어서, 용기의 고유 주파수와 같을 것이다.

확립된 PGW는 소용돌이치는 가스 흐름의 중앙 존의 냉각을 야기하며 용기의 주변 벽으로 열을 전달한다. 수증기는 용기 내부의 가스로부터 응축되는데, 소용돌이로 인해 물방울들이 주변 벽(74) 상에 모아져서 분기 파이프(60)로 들어간다. PGW는 가열되는 주변 벽에 의해 흡수된다. 또한, PGW는 분기 파이프로 들어가서 그 내부를 가열한다. 압력 경도는 주변의 압력을 증가시키는데, 이는 가스가 분기 파이프를 통해 강제로 흐르게하며 또한 작은 홀들을 통과해 환상 갭(88)으로 가게한다. 이러한 규정 덕분에 열은 분기 파이프로부터 배출된다. 동시에 갭(88)을 통해서 흐르는 가스는 가열되어 포트(92)를 통해서 배출된다. 이 가스는 상당한 온도로 에열된다. 분기 파이프의 온도가 높아지기 때문에 물방울들은 증발되어 증기로 전환된다. 이 증기는 분기 파이프로부터 출구 포트(92)를 통해서 빠져나가는 가스 흐름에 의해 강제된다. 이것은 결국 천연가스가 용기 내에서 탈수되어 건조되는 것으로 이해되어야 한다.

관형 용기의 치수 뿐아니라 수량, 채널들의 구성 및 치수는 경험적으로 확립될 수 있다. 위에서 설명된 실시예는 다음과 같이 수정될 수 있다:

-분기 파이프의 폐쇄된 단부에 만들어진 작은 홀들은 가능한 접근하여 위치될 수 있으며, 따라서 전체 벽 면적의 작은 홀들 부분(fraction)은 증가한다.

-용기의 직경은 달라질 수 있다.

-소용돌이 수단은 용기의 중간 영역에 위치될 수 있다.

이 실시예는 압력 손실의 감소, 잔류 수화물 양의 감소, 및 재생되어야 하는 천연가스의 양 감소와 같이, 몇가지 장점으로 정의될 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하여 에너지 전달 장치의 추가 실시예가 설명되는 것을 알것이다. 이 실시예에서 에너지 전달 장치는 해수의 담수화(탈염)를 위한 시스템에 사용되는 히트펌프로서 기능한다. 에너지 전달 장치 자체가 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 한편으로 사용되는 담수화 시스템이 도 6에 개략적으로 묘사되어 있다.

도 5에 도시된 에너지 전달 장치는 한쌍의 베어링들(96,98)에 의해 상대 회전이 가능하게 장착된 제1 관형 용기(94)를 포함한다. 제1 용기는 제2 관형 용기(100)에 대해서 상대적으로 회전할 수 있는데, 제2 관형 용기는 제1 용기와 동축이다. 상대 회전은 모터(미 도시됨)에 의해 완수될 수 있다. 제2 용기는 밀폐되어 (hermetically closed)있으며, 예컨대 수소와 같은, 압축성 유체 매질이 채워져 있다. 입구 포트(102)는 제1 용기의 일단에 제공되며, 한편으로 출구 포트(104)는 제1 용기의 대향 단부에 제공된다. 입구 포트를 통해 증기 및 신선한 해수의 혼합물이 제1 용기로 지속적으로 수용되며, 한편으로 출구 포트는 제1 용기로부터 신선한 담수를 배출하기 위해 의도된다. 제2 용기는 출구 포트(108)를 갖는 외부 클로저(outside closure) 내에 제한된다. 열 교환기가 제공되는데(미 도시됨), 이는 고온 증기로 해수를 약 ∼100℃ 까지 가열시키며, 그 후 가열된 해수는, 보일러로서 이용되는 클로저(106) 내부에 공급된다.

이 실시예에서 장치는 해수의 담수화를 위한 히트펌프로서 기능을 한다. 열 전달 매개제로 사용되며 압축성 유체 매질 및 재료로서 사용되게 의도된 물질은, 장치로부터 제조되며, 특정 어플리케이션 및 요구되는 온도 범위에 따라 선정된다.

음파의 발생기(110)가 제공된다. 이 발생기는 출구 포트(104)에 인접하여 배치되어, 제1 용기 내부에 위치되므로 해수의 흐름이 제1 용기를 통과할 때 해수의 흐름은 발생기에 의해 발산되는 음파에 노출된다. 압력 경도 파가 확립되어 제2 용기 내로 제한된 압축성 유체 매질을 통해 전파되며, 한편으로 해수는 가열될 유체 매질이다. 해수는 제2 용기(100) 및 클로저(106,closure) 사이의 환형 공간 내부로 지속적으로 공급되어 ∼100℃ 보다 약간 이상인 온도에서 증발된다. 해수는 환형 공간의로 들어가기 전에 고온 증기에 의해 외부 열 교환기에서 가열된다. ∼100℃의 온도에서 증발된 증기-물 혼합물은 제1 용기로 들어간다. 이 혼합물은 냉각될 유체 매질로서 이용된다. 압력 경도 파가 제2 용기 내에서 확립되어 제2 용기 내에 제한된 압축성 유체 매질을 통해 전파되는 한편 제2 용기는 회전하게 된다.

제1 용기의 벽은 확립된 PGW에 의해 냉각되므로 제1 용기 내의 증기는 응축되는 한편 담수가 생산된다. ∼5-10℃의 온도로 냉각되어 취득된 담수는 장치로부터 배출된다.

열은 PGW에 의해 제1 용기의 표면으로부터 제2 용기의 주변 벽으로 전달된다.

이 실시예에서 에너지 전달 장치는 히트펌프로서 작동한다. 이것의 주요 장점은 모든 열 에너지가 해수의 가열 및 증발을 위해 소모되며 사이클의 초기(beginning of the cycle)로 완전히 복귀하는데 있다. 압력 경도 파는 냉각될 유체 매질로부터 빼앗은 동일한 열량을 가열될 유체 매질에 전달한다. 설비(plant)는, 예컨대 ∼25℃의 온도의 해수를 취하고 ∼5-10℃의 온도의 담수를 생산한다.

에너지는, 음파의 발생기를 활성화를 위해, 제2 용기를 회전시키는 모터의 활성화를 위해, 모터의 에너지 손실을 보상하기 위해, 베어링의 마찰을 보상하기 위해, 냉각될 유체 매질의 순환을 담당하는 펌프의 활성화 및 가열될 유체 매질의 순환을 담당하는 펌프의 활성화를 위해, 제2 용기 및 클로저 내에 제한되는 유체 매질 사이의 마찰로 인한 손실 보상 및 주변 공간에 대한 열 손실을 보상하기 위해, 장치에 의해 소비된다.

아래에는 에너지 손실을 감소시키기 위한 일부 옵션들이 기재되어 있다:

- 1/10 보다 큰 직경 대 길이 비율을 지닌 길게 연장된 원통형으로 제2 용기를 구성;

-반대 방향으로 가열 및 냉각을 담당하는 유체 매질을 지향;

-금속 표면 및 유체 매질 사이의 열 전달을 향상시키기 위해 리브(ribs) 및 거칠기(roughness) 제공;

-열 전자기 방사선(thermal electromagnetic radiation)으로 인한 열 전달의 강도를 감소시키기 위해 광학 필름 기술을 사용;

-필요한 주파수 및 낮은 에너지 소비를 지닌 강력한 음향 발생기를 사용하여 음향 공진 상태의 확립;

-최소 비용으로 압력 경도 생성.

위에서 설명된 에너지 전달 장치는 또한 일반 열 교환기로서 사용될 수 있다; 예컨대 화력 발전소의 열 이용을 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 발전(동력)장치로 사용되는 터빈에 의해 생산된 폐가스가 냉각될 유체 매질로서 이용될 것이며, 발전장치의 연소실에 공급되는 공기 또는 공기/가스 혼합물이 가열될 유체 매질로서 이용될 것이다. 여기에는 압력 경도를 생성하기 위한 일부 다른 대체들이 있다. 예컨대 그 하나는, 위에서 설명된 바와 같이, 제2 용기 또는 유체 매질 자체를 회전시킬 수 있다. 이것은 제2 용기 내에 위치한 임펠러(도 4에는 미도시 됨)에 의해 수행될 수 있다. 더 추가적인 가능성은 유체 매질의 접선 분출(tangential jets)이 제2 용기 내에 배치될 수 있는데 있다.

이제 도 6을 참조하여 해수의 담수화를 위한 시스템이 간략하게 논의될 것이다.

이 시스템은 다음의 주요 구성요소를 포함한다: 히트펌프(112), 위에서 설명된 히트펌프(112), 증기 생산 칼럼(114,steam producing column) 및 열 교환기(116). 또한 보조펌프(118)가 해수를 히트펌프로 펌핑하기 위해 제공된다. 시스템의 모든 주요 구성요소, 즉 히트펌프, 열 교환기 및 증기 발생 기둥은 서로 흐름 소통을 한다.

시스템은 다음과 같이 작동된다. 해수는 거의 상온으로 열 교환기로 공급되어 가열되고 그 후 증기 발생 칼럼으로 진행된다. 칼럼에서 생산된 증기는 ∼100℃까지 가열되어 약 0.1 bar의 압력을 갖는다. 이 증기는 보조펌프(118)에 의해 펌핑된 신선한 해수 부분(portions)을 가열하기 위해 열 교환기(116)로 공급된다. 증기의 일부가 응축되어 ∼100℃의 온도 및 0 bar의 압력의 증기 물 혼합물(steam water mixture)이 히트펌프 내에 제공된 제1 관형 용기로 진행한다. 또한 ∼100℃의 온도로 신선한 해수의 부분이 장치의 외부 클로저로 공급된다. 탈염되고 냉각된 신선한 물(담수)이 ∼5-10℃로 히트펌프로부터 배출된다.

이제 도 7을 참조하여 압력 경도가 에너지 전달 장치에서 대체 수단에 의해 어떻게 달성되는지가 설명될 것이다. 이 실시예에서 에너지 전달 장치는 액체 또는 가스일 수 있는 유체 매질의 가열 또는 냉각을 위해 의도된다. 이러한 어플리케이션의 실례는 공기의 조절(conditioning of air)일 것이다. 이 실시예에서 소위 "관성" 압력 경도("inertial" pressure gradient)는 소용돌이 수단에 의해 노즐을 통과할 때와 통과하지 않을 때 압축성 유체 매질의 가속에 의해 생성된다. 에너지 전달 장치의 다른 특징들은 앞서 설명된 것과 유사하다. 이 실시예에서 에너지 전달 장치는 공기로 채워진 폐쇄된 볼륨(closed volume,122) 및 냉각 상태로 주거지에 공급되는 공기가 통과하는 덕트(124)를 분리하는 칸막이 벽(120,partition wall)을 포함한다. 폐쇄된 볼륨은 용기(vessel), 통(receptacle), 탱크(tank) 또는 저장소(reservoir)로서 형성될 수 있다. 에너지 전달 장치는 주거지 외부에 위치되어 냉기를 주거지에 공급한다. 적어도 하나의 노즐(126)이 칸막이 벽 내에 배치되므로 폐쇄된 볼륨(122) 및 덕트(124) 사이의 흐름 소통을 가능하게 한다. 이 실시예에서 폐쇄된 볼륨 및 덕트는 함께 용기를 구성하며, 이전의 실시예와 관련하여 앞서 언급된 바와 같은 의미로 이해되어야 한다.

노즐은 덕트를 향해 수렴되며(converges) 폐쇄된 볼륨을 향해 확산되게(diverge) 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 규정으로 인해, 공기가 노즐을 통과할 때 가속되며 고압 존 P1이 폐쇄된 볼륨에 확립되고 저압 존 P2가 덕트에 확립되는 한편 P1>P2이다. 제공되는 열 교환 스크린(128)을 통해서 가열될 유체 매질이 순환하므로(미도시 됨) 폐쇄된 볼륨(122) 내에서 제한된 공기와 열 교환이 가능할 것이다. 음파의 발생기(130)가 폐쇄된 볼륨 내에 제공되므로 발생기에 의해 음파가 발산될 때 노즐을 통과하는 공기는 음파에 노출된다.

에너지 전달 장치는 다음과 같이 작동한다. 발생기를 활성화하여 음파가 만들어지면 압력 경도 파가 폐쇄된 볼륨으로부터 덕트로 흐르는 공기에 확립된다. PGW는 고압 존을 향해 흐르는 공기의 열을 전달하는데, 열은 열 교환 스크린에 의해 흡수된다. 가열될 유체(예컨대 물)는 스크린 내부에서 순환하여 폐쇄된 볼륨으로부터 열을 배출시킨다. 저압 존 쪽으로 노즐을 통과하는 공기는 냉각되어 주거지로 진행된다.

이 실시예에서 압력 경도 파에 의해 수행된 열 전달 방향은 냉각되어 주거지로 공급되는 공기 흐름의 방향과 반대이다. 이것은 구체적으로 도시되지 않았지만, 주거지에 공급된 공기는, 예컨대 컴프레셔 또는 볼로워에 의해(미도시 됨), 주거지로부터 다시 밀폐된 볼륨으로 복귀된다.

압력 경도를 달성하기 위해 노즐을 사용하는 에너지 전달 장치의 더 추가적인 실시예가 도 8을 참조하여 설명될 것이다. 이 실시예는 공기를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 이 실시예는 유사 구성요소들을 포함한다. 구성요소들 중에는 압축성 유체 매질로 채워진 폐쇄된 볼륨(132), 밀폐된 볼륨의 범위를 정하는 칸막이 벽(134), 적어도 하나의 노즐(136)이 제공되며 음파를 만들어낼 수 있는 발생기(138)가 있다. 그러나, 이 실시예에서 사용되는 노즐은 다르게 구성되는데, 즉 수렴 주입 섹션(converging inlet section) 및 확산 배출 섹션(diverging exhaust section)에 의해 형성된 비대칭 형상(asymmetric shape)을 갖는 노즐을 의미하는 드 라발 노즐(de Laval nozzle)이다. 또한 적어도 하나의 분기 파이프(142)가 배치된 제2 칸막이 벽(140)이 제공된다. 분기 파이프는 측벽(144)과 후방 벽(146)에 의해 형성된다. 폐쇄된 볼륨은 압축가스(pressurized gas), 예컨대, 아르곤, 으로 채워지는데, 이 실시예에서는 압축성 유체 매질로서 사용되며 동시에 냉각될 유체 매질로서 사용된다. 약 6bars의 제1 압력 존(zone of a first pressure) P1이 폐쇄된 볼륨 내에 제공되며 약 0.5bars의 제2 압력 존 P2가 제1 칸막이 벽 및 제2 칸막이 벽 사이의 제한된 영역에 제공된다. 아르곤이 노즐을 통해 흐를때 가속되어 분기 파이프 내부로 들어간다. 아르곤 흐름이 분기 파이프의 후방 벽에 접촉하는 경우 아르곤 흐름의 감속으로 인해 압력 경도가 확립된다. 아르곤 흐름의 운동 에너지는 포텐셜 에너지로 전환되며 분기 파이프(142) 내의 압력은 후방 벽에서 최대로 증가된다. 압력 경도 파는 발생기(138)에 의해 음파가 만들어질때 분기 파이프(142) 내부에 확립된다. PGW는 분기 파이프의 후방 벽에 열을 제출(submit)한다. 저압의 존에서 아르곤으로부터 취해진 열은 냉각된다. 가열될 유체 매질은(예컨대, 공기) 후방 벽으로부터 열을 배출하기 위해 수용될 수 있다. 냉각 아르곤은 저압의 존으로부터 제거되어, 폐쇄된 볼륨으로 복귀하기 전에 열 교환기 및 컴프레셔(미도시 됨)로 진행된다.

아르곤이 저압의 존을 향해 노즐 내부로 흐를때 가속되어 또한 노즐 내부에서 압력의 경도가 확립되며, 이는 반대 방향으로 열의 전달을 야기하고, 그로인해 장치의 효율을 악화시킨다. 이를 방지하기 위해, 노즐 내부의 가스 흐름은 초음속으로 되어야 한다. 실제 드 라발 노즐은 바람직하게는 이러한 상황에서 사용되어야하며 P₂ 및 P1의 압력 비율이 P₂/P1<0.5로 유지되어야 한다.

마지막 두 실시예에 따른 에너지 전달 장치의 장점은 단순함과 가동 부분(moving part)의 부재에 있다. 더 추가적인 장점은 어떤 온도 범위에서도 열 에너지의 전달에 대한 가능성이다. 예컨대, 끓는 물이 적합한 열 에너지 및 압력의 소스로서 사용될 수 있다. 이러한 상황에서 120℃-150℃ 과열 증기의 흐름이 노즐을 통과하여 분기 파이프 내로 들어갈 것이다. 가열될 유체 매질(가스)은 800℃까지 가열될 것이다. 이제 도 8을 참조하여 본 발명의 더 추가적인 실시예가 설명될 것이다.

이 실시예에서 인위적으로 생성된 공기 와류(air vortex)의 열 에너지는 운동 에너지 및 추가 전기 에너지로 연이어 전환된다.

도 9를 참조하면, 이 실시예는 원통형 주변 벽(150), 하부 벽(152,bottom wall) 및 상부 벽(154)에 의해 범위가 정해지는 관형 용기(148)를 포함한다. 용기 내에 제한되는 터빈(156)이 제공되는데, 이는 고정된 블레이드(160)를 지닌 수직으로 지향된 샤프트(158)를 갖는다. 용기 내에 위치된 터빈은 모터/발전기(162)에 의해 강제 회전(forcible rotation)에 대한 가능성을 지닌다. 모터/발전기는 터빈의 외부에 위치되어 기부(166,basement)에 제공되는 요부(164,depression) 내에 고정된다. 원형의 주입구(168,circular inlet opening)가 용기의 하부 벽(152) 내의 중앙 존에 제공되어 샤프트의 하단부 및 모터/빌전기 사이의 기계적 연결을 허용하며 동시에 외부 공기가 용기로 들어가는 것을 허용한다. 환형 배출구(170,annular outlet opening)이 상부 벽에 제공되어 샤프트의 회전 및 공기가 빠져나가는 것을 허용한다. 음파를 만들수 있는 발생기(172)가 제공된다. 발생기가 용기 내에 위치되며 용기 내에 위치된 공기는 발생기에 의해 발산되는 음파에 노출될 것이다.

이 실시예에 따른 에너지 전달 장치는 다음과 같이 작동한다.

모터/발생기(162)가 활성화(작동)되어 블레이드(160)가 강제로 회전하도록 모터 모드로 전환(switched)된다. 블레이드(160)는 용기 내의 공기를 소용돌이치게하여 압력 경도를 생성시키므로 샤프트 근처에서 압력은 최소가 되고 한편으로 주변 벽에서의 압력은 최대가 된다. 신선한 주변 공기(ambient air)의 일부가 주입구를 통해 용기 내부로 흡입될 것이다. 발생기(172)가 켜져서 음파를 만들어서 공기로 전파하며 한편으로 밀도 변동을 유발하고 결국 압력 경도 파가 확립된다. 이것은 샤프트(158) 부근에 위치된 공기 냉각 및 주변 벽(150) 부근에 위치된 공기 가열을 동반하는 열전달을 초래할 것이다. 공기에 의해 전파될 PGW는 주변 벽(150)에 의해 흡수되므로 열 에너지는 운동 에너지로 전환될 수 있어 터빈을 회전시키는데 도움이 되는 공기 와류의 형성을 야기한다. 결국 모터/발전기(162)는 공기 와류에 의한 강제 회전으로 인해 전기 에너지를 생산하는 발전기 모드로 전환될 것이다. 생산된 전기 에너지의 양은 불가피한 열 손실, 마찰 손실 및 발전기의 전환계수 때문에 전환된 열 에너지의 양 보다 적게될 것이라는 것을 명심해야한다. 용기 내에서 공기의 회전운동(rotational movement)은 용기의 중앙으로부터 주변으로의 압력 증가와 관련된다.

따라서 용기로부터의 출구에서의 압력이 대기압(ambient pressure)보다 크게되도록 주입구의 반경은 배출구의 반경보다 작게되어야 한다. 만약 이 조건이 만족되면 주변 공기는 주입구로 흡입되어 용기의 중앙 영역을 통과하게되어 회전운동을 수반할 것이고 그 후 배출구를 통해 용기로부터 빠져나가는 한편 상당히 냉각된다. PGW는 중앙 영역(central region)으로부터 주변으로 열 에너지를 전달하여 용기의 주변 벽을 가열시킨다.

본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 의해 제한되지 않으며 당업자는 하기에첨부된 청구항에 정의된 바와 같이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 변형 및 수정을 할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

또한 이전 설명 및/또는 이전 도면 및/또는 실례들 및/또는 테이블 및/또는 별도 및 임의 조합의 하기 청구항에 개시된 특징들을 이해하여야 하며, 이는 다양한 형태로 본 발명을 실현하기 위해 중요하다.

용어 "구성하다", "함유하다" "갖는다" 가 하기 청구항에 사용되는 경우 그들은 "포함하다 로만 제한되지 않는" 같은 어원을 의미한다.

Claims (19)

1. 열 에너지의 전달 방법은,
   용기 내에 제한되는 압축성 유체 매질을 지닌 용기를 제공하고,
   압축성 유체 매질이 압력 경도를 받게하여 용기 내에 고압을 지닌 존(zone) 및 저압을 지닌 존을 확립하고,
   밀도의 변동을 동반하게 압축성 유체 매질을 음파에 노출시키는 것을 포함하며,
   상기 밀도의 변동은, 압축성 유체 매질에서 압력 경도 파를 유발할 수 있으며, 압력 경도 벡터를 따라 압축성 유체 매질을 통해 전파되고, 압력 경도 파의 전파는 저압 존으로부터 고압 존으로 에너지 전달과 관련되고 저압 존은 낮은 온도와 관련되는 한편 고압 존은 높은 온도와 관련되는 것을 특징으로 하는 열 에너지의 전달 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 음파는 음파(sound waves), 초음파(ultrasound waves) 및 초저주파(infrasound waves)로 구성되는 그룹으로부터 선정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 압축성 매질은 가스 및 가스와 액체의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 가스는 수소, 헬륨 및 아르곤으로 구성되는 그룹으로부터 선정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 압축성 유체 매질은 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   압력 경도는 압축성 유체 매질의 회전에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 압력 경도는 중력, 소용돌이, 통과하는 노즐, 통과하는 채널 및 전자기장으로 구성되는 그룹으로부터 선정된 압력 경도 소스의 영향을 받는 압축성 유체 매질에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
8. 제 2항에 있어서,
   상기 탄성파는 주파수를 갖는데, 주파수는 용기의 공진 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
   
9. 제 1항에 있어서,
   열 에너지는 가열 또는 냉각을 위해 의도된, 유체 매질에 의해 용기로 공급되어 용기로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
10. 에너지의 전달을 위한 장치는,
    압축성 유체 매질을 함유하는 용기,
    용기 내의 압축성 유체 매질이 고압하에 있는 존 및 압축성 유체 매질이 저압하에 있는 존을 생성하기에 적합한 압력 경도 소스,
    압축성 유체 매질에서 밀도의 변동을 유발하는데 적합한 음파의 발생기를 포함하며,
    상기 밀도의 변동은 압력 경도 벡터를 따라 압축성 유체 매질을 통해 전파되는 압력 경도 파의 확립에 의해 뒤따르며, 압력 경도파의 전파는 저압의 존으로부터 고압의 존으로 에너지의 전달과 관련되며 저압의 존은 낮은 온도와 관련되는 한편 고압의 존은 높은 온도와 관련되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 압력 경도 소스는 중력, 소용돌이 수단, 노즐, 채널 및 전자기장으로 구성되는 그룹으로부터 선정되고, 상기 압축성 유체 매질은 가스, 가스와 액체의 혼합물, 이온화 가스 및 플라즈마로 구성되는 그룹으로부터 선정되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 용기는 고압의 존에 인접한 제1 주변 벽 및 제1 주변 벽을 둘러싸는 제2 주변 벽을 갖는 관형 부재로서 형성되는데, 제1 주변 벽 및 제2 주변 벽 사이에 공간이 제공되며, 상기 공간에는 공간을 통해 순환하며 가열될 유체 매질로 채워지며, 상기 장치는 소용돌이 수단을 더 포함하며, 상기 음파의 발생기는 용기 내에 위치되므로 압축성 유체 매질은 발생된 음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
13. 제 11항에 있어서,
    상기 용기는 고압의 존에 인접한 제1 주변 벽에 의해 범위가 정해지고, 상기 압축성 유체 매질은 가스이며 상기 장치에는 제1 주변 벽으로부터 거리를 두고 있는 제2 주변 벽이 제공되는데, 제1 주변 벽 및 제2 주변 벽 사이에는 가열될 유체의 흐름을 위한 공간이 제공되며, 상기 장치에는, 제1 주변 벽 상에 고정되어 제2 주변 벽을 향해 지향되는 적어도 하나의 분기 파이프가 더 제공되며, 상기 적어도 하나의 분기 파이프는 용기와 유체 소통하는 제1 단부 및 폐쇄된 제2 단부를 갖으며, 상기 음파의 발생기는 용기 내에 위치되므로 용기 내의 압축성 유체 매질은 발생된 음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
14. 제 12항 및 제 13항에 있어서,
    상기 용기는 제1 주변 벽에 의해 범위가 정해지는 관형 부재로서 형성되며 상기 압축성 유체 매질은 가스이고, 상기 장치에는 용기로 가스가 들어가게 허용하는 덕트 및 용기에 들어가기 전에 가스를 소용돌이치게 하기 위한 소용돌이 수단이 제공되며, 상기 장치는 용기에서 냉각되고, 건조된 가스가 빠져나가기 위한 제2 덕트를 포함하며, 상기 장치에는 제1 주변 벽으로부터 거리를 두고 있는 제2 주변 벽이 더 제공되는데, 제1 주변 벽 및 제2 주변 벽 사이에는 갭이 제공되며,상기 갭은 외부 볼륨(external volume)과 유체 소통하며 상기 장치에는 제2 주변 벽을 향해 지향되는 적어도 하나의 분기 파이프가 더 제공되며, 상기 적어도 하나의 분기 파이프는 용기와 유체 소통을 제공하기 위해 개방된 제1 단부를 갖으며, 상기 적어도 하나의 분기 파이프는 환형 갭과 유체 소통을 제공하기 위해 적어도 하나의 홀(hole)이 구비된 제2 단부를 갖으며, 상기 음파의 발생기는 용기 내에 위치되므로 가스는 발생된 음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
15. 제 12항에 있어서,
    상기 장치는 제1 관형 용기 및 제2 관형 용기를 포함하는데, 제1 관형 용기에는 냉각될 유체 매질로 채워지며, 상기 제1 관형 용기는 저압 존과 관련되며, 제2 관형 용기는 압축성 유체 매질로 채워지며, 제1 용기는 제2 용기와 동축이고 상기 장치는 압축성 유체 매질의 회전을 위한 소용돌이 수단을 갖으며, 상기 장치는 제2 용기를 둘러싸는 외부 클로저(outside closure)더 포함하며 제1 용기에는 입구 포트(inlet port) 및 냉각될 유체 매질을 배출(evacuating)시키기 위한 출구 포트(outlet port)가 제공되며 외부 클로저에는 가열될 유체 매질이 들어가게 허용하는 입구 포트 및 가열될 유체를 배출하기 위한 출구 포트(outlet port)가 제공되며, 상기 음파의 발생기는 제2 관형 용기 내에 위치되므로 제2 관형 용기 내의 압축성 유체 매질은 발생된 음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
16. 제 11항에 있어서,
    상기 장치는 관형 용기를 포함하는데, 관형 용기는 원통형 주변 벽, 제1 단부 및 제2 단부에 의해 범위가 정해지고, 상기 장치는 모터/발전기에 의해 강제 회전이 가능하며 관형 용기 내에 위치된 터빈을 더 포함하며, 상기 제1 단부에는 용기 내로 공기가 들어가게 허용하는 주입구(inlet opening)가 제공되며 제2 단부에는 배출구(outlet opening)가 제공되고 상기 음파의 발생기는 용기 내에 위치되므로 들어간 공기가 발생된 음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
17. 제 12항에 있어서,
    상기 장치는 소용돌이 제거 수단(de-swirling means)을 포함하는 것을 특징으로하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
18. 제 17항에 있어서.
    상기 소용돌이 제거 수단은 적어도 하나의 가로대(crosspiece)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    
19. 제 11항에 있어서,
    상기 노즐은 수렴 노즐(converging nozzle), 원통형 노즐, 확산 노즐(diverging nozzle) 및 드 라발 노즐로 구성되는 그룹으로부터 선정되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달을 위한 장치.
    

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