KR20160089359A - 뷜레우미에 히트 펌프용 4-공정 사이클 - Google Patents

뷜레우미에 히트 펌프용 4-공정 사이클 Download PDF

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Abstract

메카트로닉적으로 제어되는 디스플레이서를 구비한 뷜레우미에 히트 펌프용 4-공정 사이클이 개시된다. 디스플레이서를 구동하기 위하여 크랭크를 사용하는 뷜레우미에 히트 펌프는 이전에 개발되었다. 그러나, 메카트로닉적 제어는 디스플레이서를 제어하는데 보다 큰 자유도를 제공한다. 4-공정 사이클은 크랭크-구동 뷜레우미에 히트 펌프의 종래 사이클 및 메카트로닉적으로 구동되는 뷜레우미에 히트 펌프용으로 이전에 개시된 사이클들 보다 높은 성능계수를 제공한다.

Description

뷜레우미에 히트 펌프용 4-공정 사이클{A FOUR-PROCESS CYCLE FOR A VUILLEUMIER HEAT PUMP}
본 발명은 히트 펌프, 보다 구체적으로는 뷜레우미에 히트 펌프에서의 사이클에 관한 것이다.
대부분 종래의 뷜레우미에 히트 펌프에서의 디스플레이서(displacer)는 U.S. 1,275,507에 도시된 바와 같이, 크랭크에 의해 구동된다. 크랭크 구동 디스플레이서를 구비한 그러한 히트 펌프의 개념도가 도 1에 도시된다. 상기 '507 특허에서, 디스플레이서는 도 2에 도시된 바와 같이 90도의 위상차를 가진다. 메카트로닉적으로 구동되는 뷜레우미에 히트 펌프[이는 본 발명의 양수인에게 양도됨]는 WO 2013/155258에 개시되어 있다. 그러한 히트 펌프에서, 디스플레이서는 독립적으로 작동되어 하나의 디스플레이서는 다른 디스플레이서가 움직이는 동안 정지된 상태로 유지될 수 있고, 이는 디스플레이서 동작을 제어함에 있어서 많은 추가적인 자유도를 제공한다. WO 2013/155258 A1 공개공보에는, 3-공정 사이클이 또한 개시된다. 높은 성능 계수를 제공하는 사이클이 요구된다.
4-공정 사이클이 개시되는데, 이는 모델링 결과에 기초하면 이전에 개시된 3-공정 사이클 보다 높은 성능 계수를 보여준다.
히트 펌프를 작동시키는 방법이 개시된다. 히트 펌프는 핫 실린더내에서 왕복하도록 적응된 핫 디스플레이서 및 콜드 실린더내에서 왕복하도록 적응된 콜드 디스플레이서를 구비한다. 상기 핫 디스플레이서는 핫 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치를 가지며, 상기 콜드 디스플레이서는 콜드 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치를 가진다. 상기 방법은, 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 실린더내에서 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동하고, 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 실린더내에서 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동하고, 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 실린더내에서 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동하고, 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 실린더내에서 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동하고; 여기서, 상기 작동들은 주어진 순서로 일어난다.
어떤 작동 조건에서는, 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 실린더내에서 중심 위치와 먼 위치 사이에서 이동하는 시간 동안, 그 시간 중 적어도 일부 동안에 상기 콜드 디스플레이서가 정지된 상태로 유지되고, 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치 사이에서 이동하는 시간 동안, 그 시간 중 적어도 일부 동안에 상기 핫 디스플레이서가 정지된 상태로 유지된다.
상기 핫 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 1을 이룬다. 상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 2를 이룬다. 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 3을 이룬다. 상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 4를 이룬다. 한 사이클은 공정 1, 공정 2, 공정 3, 공정 4가 순서대로 이어져서 이루어진다.
상기 방법은 추가적으로, 공정 1과 공정 2 사이의 제1 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하도록 명령하고, 공정 2와 공정 3 사이의 제2 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하도록 명령하고, 공정 3과 공정 4 사이의 제3 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하도록 명령하고, 공정 4과 공정 1 사이의 제4 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하도록 명령한다.
핫 챔버는 핫 디스플레이서 실린더내에 형성되는데, 핫 챔버내의 부피는 핫 디스플레이서 실린더내의 핫 디스플레이서 위치와 관련된다. 콜드 챔버는 콜 디스플레이서 실린더내에 형성되는데, 콜드 챔버내의 부피는 핫 디스플레이서 실린더내의 콜드 디스플레이서 위치와 관련된다. 핫 디스플레이서가 먼 위치에 있을 때, 핫 챔버내의 부피는 핫 디스플레이서가 중심 위치에 있을 때 보다 적다. 콜드 디스플레이서가 먼 위치에 있을 때, 콜드 챔버내의 부피는 콜드 디스플레이서가 중심 위치에 있을 때 보다 적다.
핫 디스플레이서 실린더내에 배치된 핫 디스플레이서, 콜드 디스플레이서 실린더내에 배치된 콜드 디스플레이서, 작동될 때 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치 사이에서 왕복하도록 하는 핫 디스플레이서 액츄에이터, 작동될 때 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치 사이에서 왕복하도록 하는 콜드 디스플레이서 액츄에이터, 및 상기 핫 디스플레이서 액츄에이터와 상기 콜드 디스플레이서 액츄에이터에 연결된 전자 제어 유닛(ECU)을 포함하는 히트 펌프가 개시된다.
상기 ECU는 명령하여 상기 핫 디스플레이서 및 콜드 디스플레이서가 일련의 배열들을 통하여 이동하도록 하는데, 상기 일련의 배열들은 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 근접해 있는 제1 배열, 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 근접해 있는 제2 배열, 상기 핫 디스플레이서 실린더내내의 상기 핫 디스플레이서는 먼 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치에 근접해 있는 제3 배열, 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치에 근접해 있는 제4 배열로 이루어진다.
한 사이클은 제1 배열로부터 제2 배열, 제3 배열, 제4 배열, 제1 배열로 이동하는 것으로 이루어진다.
상기 핫 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치에 정지 상태로 유지된다. 상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치에 정지 상태로 유지된다. 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치에 정지 상태로 유지된다. 상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 핫 디스플레이서가 중심 위치에 정지 상태로 유지된다.
일부 실시예에서, 상기 콜드 디스플레이서 실린더의 중심축은 상기 핫 디스플레이서 실린더의 중심축과 동일 선상에 있다. 일부 실시예에서, 콜드 디스플레이서 실린더의 직경은 상기 핫 디스플레이서 실린더의 직경 보다 더 크다. 다른 실시예에서, 핫 디스플레이서 실린더의 직경은 콜드 디스플레이서 실린더의 직경 보다 더 크다. 또 다른 실시예에서, 핫 디스플레이서 실린더의 직경은 콜드 디스플레이서 실린더의 직경과 일치하는 히트 펌프가 있다. 일부 실시예에서, 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는 거리는 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는 거리 보다 더 크다. 다른 실시예에서, 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는 거리는 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는 거리 보다 더 작다. 일부 실시예에서, 핫 디스플레이서가 중심 위치와 먼 위치 사이를 이동하는데 걸리는 시간은 상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치와 먼 위치 사이를 이동하는데 걸리는 시간과 상이하다. 히트 펌프에서, 액츄에이터는 스프링들을 포함한다. 디스플레이서에 대해 작용하는 스프링들은 디스플레이서들이 그 각각의 중심 위치와 먼 위치 사이를 이동하는 시간이 같지 않도록 선택될 수 있다.
핫 디스플레이서 실린더내에 배치된 핫 디스플레이서는 핫 디스플레이서 실린더내에서 왕복하고 콜드 디스플레이서는 콜드 디스플레이서 실린더내에 배치되고 콜드 디스플레이서 실린더내에서 왕복하도록 적응된 히트 펌프가 개시된다. 히트 펌프는 핫 디스플레이서에 연결된 핫 디스플레이서 액츄에이터를 구비하고, 핫 디스플레이서 액츄에이터는 핫 디스플레이서 실린더내에서 핫 디스플레이서가 중심 위치와 먼 위치 사이를 이동하도록 적응되고, 콜드 디스플레이서 액츄에이터는 콜드 디스플레이서에 연결되고, 콜드 디스플레이서 액츄에이터는 콜드 디스플레이서가 콜드 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치와 먼 위치 사이를 이동하도록 적응되고, 전자 제어 유닛(ECU)이 핫 디스플레이서 액츄에이터와 콜드 디스플레이서 액츄에이터에 연결된다. 한 사이클은 다음의 공정을 다음의 순서로 이루어지는 것이다. 핫 디스플레이서 액츄에이터는 핫 디스플레이서가 핫 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 명령하고, 콜드 디스플레이서 액츄에이터는 콜드 디스플레이서가 콜드 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 명령하고, 핫 디스플레이서 액츄에이터는 핫 디스플레이서가 핫 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 명령하고, 콜드 디스플레이서 액츄에이터는 콜드 디스플레이서가 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 명령한다.
히트 펌프는 핫 디스플레이서 실린더의 일측단에 핫 챔버, 그리고 콜드 디스플레이서 실린더의 일측단에 콜드 챔버를 가진다. 핫 챔버의 부피는 핫 디스플레이서가 중심 위치에 있을 때가 디스플레이서가 먼 위치에 있을 때 보다 더 크다. 콜드 챔버의 부피는 콜드 디스플레이서가 중심 위치에 있을 때가 콜드 디스플레이서가 먼 위치에 있을 때 보다 더 크다. 히트 펌프는 웜 챔버를 포함한다. 웜 챔버는 핫 챔버로부터는 핫 디스플레이서의 대향 단부에서의 핫 실린더내의 부피와 콜드 챔버로부터는 콜드 디스플레이서의 대향 단부에서의 콜드 실린더내의 부피를 더한 것이다.
일부 실시예에서, 핫 디스플레이서 실린더의 중심축은 콜드 디스플레이서의 중심축과 동일 선상에 있다. 다른 실시예에서, 핫 디스플레이서 실린더의 중심축은 콜드 디스플레이서의 중심축과 실질적으로 평행 및 오프셋된다. 일부 실시예에서, 핫 디스플레이서 실린더의 직경은 콜드 디스플레이서 실린더의 직경 보다 크다.
도 1은 종래의 뷜레우미에 히트 펌프에 대한 개념도이다.
도 2는 크랭크-구동 디스플레이서를 가진 뷜레우미에 히트 펌프에서의 디스플레이서 움직임(movement)을 나타내는 그래프이다.
도 3은 메카트로닉적으로 제어되는 디스플레이서를 가진 뷜레우미에 히트 펌프의 개략적 도면이다.
도 4는 뷜레우미에 히트 펌프에서의 3-공정 사이클을 나타낸 도면이다.
도 5는 뷜레우미에 히트 펌프에서의 4-공정 사이클을 나타낸 도면이다.
도 6은 3-공정 사이클에 대하여 핫 및 콜드 디스플레이서의 움직임을 시간의 함수로 나타낸 도면이다.
도 7은 4-공정 사이클에 대하여 핫 및 콜드 디스플레이서의 움직임을 시간의 함수로 나타낸 도면이다.
도 8은 디스플레이서의 움직임이 중첩되는 4-공정 사이클에 대하여 핫 및 콜드 디스플레이서의 움직임을 시간의 함수로 나타낸 도면이다.
도 9는 양쪽 디스플레이서가 정지된 상태로 유지되는 기간에서 핫 및 콜드 디스플레이서의 움직임을 나타낸 도면이다.
도 10은 핫 디스플레이서 실린더의 직경이 콜드 디스플레이서 실린더의 직경 보다 더 큰 뷜레우미에 히트 펌프를 나타낸 도면이다.
도 11은 핫 디스플레이서의 스트로크가 콜드 디스플레이서의 스트로크 보다 적은 뷜레우미에 히트 펌프를 나타낸 도면이다.
본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 당업자가 이해할 수 있는 것과 같이, 도면들을 참조하여 설명 및 기재된 실시예들은 하나 이상의 다른 도면들에서 설명된 특징들과 결합될 수 있고, 이는 여기서 명확하게 설명 또는 기재되지 않은 대안적인 다양한 실시예를 만들 수 있을 것이다. 여기서 설명된 특징들의 조합은 전형적인 응용을 위한 대표적인 실시예들을 제공한다. 그러나, 본 발명의 개시 및 교시에 따른 기술적 특징들의 다양한 조합 및 변경은 특정 응용 또는 실시를 위해 요구되어질 수 있다. 통상의 지식을 가진 당업자라면 여기서 명확히 기재 또는 설명되어 있든 아니든 유사한 응용 또는 실시를 인식할 수 있을 것이다.
메카트로닉적으로 작동되는 뷜레우미에 히트 펌프에 의해 가능한 사이클을 설명하기 이전에, 그러한 히트 펌프(50)의 비-제한적인 실시예가 도 3에 도시된다. 히트 펌프(50)는 하우징(52), 및 핫 디스플레이서(62)와 콜드 디스플레이서(66)가 배치된 실린더(54)를 구비한다. 디스플레이서들(62, 66)은 중심축(53)을 따라 움직이면서 실린더 라이너(54)내에서 왕복한다. 핫 디스플레이서(62)를 위한 액추에이터는 강자성 성분들(102, 112), 전자석(92), 스프링(142, 144), 및 지지 구조물(143)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 지지 구조물(143)은 전자석(92)에 부착되고, 전자석(92)은 하우징(52)의 콜드 단부(86)에 결합된 중앙 포스트(88)에 결합된다. 포스트(88), 전자석(92) 및 지지 구조물(143)은 고정된 상태이다. 핫 디스플레이서(62)가 도 6에 도시된 위치로부터 위쪽 방향으로 왕복할 때, 스프링(142)은 사전 설치된 평행 보다 많이 압축되고, 스프링(144)는 보다 적은 압축 상태하에 있게 된다. 전자석(92)은 전원인가되어 강자성 성분들(102, 112)을 스프링들(142, 144)의 스프링력에 대항하여 그쪽 방향으로 당기게 된다. 유사하게, 콜드 디스플레이서(66)는 포스트(88)에 결합된 전자석(96), 전자석(96)에 결합된 지지 구조물(147), 및 스프링들(146, 148)을 포함하는 콜드 액추에이터를 구비한다. 스프링(146)은 콜드 디스플레이서(66)의 지지 구조물(147)과 제1 캡(126) 사이에 결합된다. 스프링(148)은 콜드 디스플레이서(66)의 지지 구조물(147)과 제2 캡(136) 사이에 결합된다. 전자석(92, 96)은 전자 제어 유닛(ECU)(100)를 통해 제어된다.
강자성 블럭들(102, 112, 106, 116)은 핫 디스플레이서(62)의 제1 캡(122)과 연관된 스탠드오프, 핫 디스플레이서(62)의 제2 캡(132), 콜드 디스플레이서(66)의 제1 캡(126)과 연관된 스탠드오프 및 콜드 디스플레이서(66)의 제2 캡(136)에 각각 결합된다. 핫 디스플레이서(62)의 제2 캡(132)에 개구가 제공되고, 콜드 디스플레이서(66)의 제1 및 제2 캡들(126, 136)은 콜드 디스플레이서(66)을 통하여 핫 디스플레이서(62)내로 위쪽으로 연장되는 포스트(88)를 수용한다.
환형 챔버가 하우징(52)의 내측면의 일부와 실린더(54)의 외측면 사이에 형성된다. 핫 리큐퍼레이터(recuperator)(152), 웜 열교환기(154), 콜드 리큐퍼레이터(156) 및 콜드 열교환기(158)가 환형 챔버내에 배치된다. 실린더(54)를 관통하는 개구는 유체가 실린더(54)의 내부와 환형 챔버 사이에서 흐르는 것을 가능하게 한다. 개구(166)는 환형 챔버내에서 콜드 챔버(76)와 콜드 열교환기(158) 사이에서 유체 흐름을 가능하게 한다. 열 펌프(50)는 또한 하우징(52)의 고온측 말단부 근처에 제공되는 핫 열교환기(165)를 구비한다. 캡(82)을 관통하는 개구(162)는 열교환기(165)에 이르고, 열교환기(165)는 환형 챔버에 이르는 통로(163)를 가진다. 핫 열교환기(165)는 버너 배치 또는 다른 에너지원과 관련될 수 있다. 가열된 유체는 웜 열교환기(154)로 흐르는데, 개구(174)로 들어가 개구(172)로 나오는 방식으로 가로질러 흐른다. 냉각된 유체는 콜드 열교환기(158)로 흐르는데, 개구(176)로 들어가 개구(178)로 나온다. 열교환기들을 관통하는 흐름은 역방향, 병렬 흐름으로 이루어질 수 있다.
뷜레우미에 히트 펌프의 3-공정 사이클에 있어서 디스플레이서의 말단부 위치가 도 4에 도시된다. 상태 'a'에서, 핫 디스플레이서(12)와 콜드 디스플레이서(14)는 실린더(10)내에서 그들의 상측 위치에 있게 된다. 도 3의 상태 'b'에서, 콜드 디스플레이서(14)는 더 낮은 위치로 이동한다. 상태 'a'로부터 상태 'b'로의 변경이 제1 공정이다. 상태 'b'로부터 상태 'c'까지, 핫 디스플레이서(12)는 그 상부로부터 그 하측 위치로 이동하는데, 이는 제2 공정이다. 상태 'c'로부터 상태 'a'로 되돌아오는 과정에서, 양쪽 핫 디스플레이서(12)와 콜드 디스플레이서(14)는 위쪽으로 이동하게 되는데, 이는 제3 공정이다.
도 4에 도시된 사이클에 있어서, 핫 디스플레이서(12)와 콜드 디스플레이서(14)는 사이클의 다른 시점에서 실린더(10)내의 중앙 공간내에 있게 된다. 즉, 상태 'a'에서, 콜드 디스플레이서(14)가 실린더(10)내의 중앙 공간에 있게 되고, 상태 'c'에서, 핫 디스플레이서(12)가 실린더(10)내의 중앙 공간에 있게 된다. 도 3의 히트 펌프는 3-공정 사이클에 적합하다. 4-공정 사이클을 가능하게 하는 히트 펌프는 실린더가 길게 연장된 것(이것에 대한 이유는 아래에 논의된 사항으로부터 명확해 질 것이다) 이외에는 도 3에 도시된 것과 유사하다.
뷜레우미에 히트 펌프에서 사용하기 위한 4-공정 사이클이 도 5에 도시되는데, 여기서 핫 디스플레이서(22)는 핫 디스플레이서 실린더(20)내에서 왕복하고, 콜드 디스플레이서(24)는 콜드 디스플레이서 실린더(21)내에서 왕복한다. 상태 'd'에서, 핫 디스플레이서(22)는 실린더(20)내에서 중앙 지점에 있게 되고, 콜드 디스플레이서(24)는 실린더(21)내에서 중앙 지점에 있게 된다. 상태 'd'로부터 상태 'e'로 진행함에 있어서, 핫 디스플레이서(22)는 실린더(20)내에서 먼 지점으로 이동한다. 이는 제1 공정 또는 공정 1이다. 상태 'e'로부터 상태 'f'로 진행함에 있어서, 콜드 디스플레이서(24)는 실린더(21)내에서 먼 위치로 이동한다. 이는 제2 공정 또는 공정 2이다. 상태 'f'로부터 상태 'g'로 진행함에 있어서, 핫 디스플레이서(22)는 실린더(20)내에서 중앙 지점까지 이동하는데, 이는 제3 공정 또는 공정 3이다. 상태 'g'로부터 상태 'd'로 되돌아 감에 있어서, 콜드 디스플레이서(24)는 실린더(21)내에서 그 중앙 지점까지 이동하는데, 이는 제4 공정 또는 공정 4이다.
상술한 바와 같이, 도 4에 도시된 3-공정 사이클에 있어서, 핫 디스플레이서(12)와 콜드 디스플레이서(14)는 물론 사이클 동안 다른 시간이긴 하지만 동일한 공간을 차지한다. 도 5의 4-공정 사이클에서는, 핫 디스플레이서(22)와 콜드 디스플레이서(24)는 중앙선(26)을 가로지르지 않는다. 실린더들(20, 21)은 동일 선상에 있으며, 동일한 직경을 가진다. 실린더(20)은 중앙선(16) 위에 있는 것을 나타내고, 실린더(21)은 중앙선(16) 아래에 있는 것을 나타낸다.
도 4에 도시된 디스플레이서 이동 말단 위치들은 도 6에 시간의 함수로 도시된다. 핫 플레이서의 하부 모서리의 이동은 곡선 16으로 도시된다. 콜드 디스플레이서의 상부 모서리의 이동은 곡선 18로 도시된다. 상태 'a'로부터 상태 'b'까지 진행함에 있어서 콜드 디스플레이서는 하측 방향으로 이동하는 반면, 핫 디스플레이서는 정지된 상태에 있게 된다. 상태 'b'로부터 상태 'c'로 진행함에 있어서, 핫 디스플레이서는 하측 방향으로 이동하는 반면, 콜드 디스플레이서는 정지된 상태에 있다. 사이클을 완성시키는 과정으로서 상태 'c'로부터 상태 'a'로 진행함에 있어서, 양쪽 디스플레이서들은 위쪽 방향으로 이동한다.
도 5에 도시된 디스플레이서 이동 말단 위치들은 도 7에 시간의 함수로 도시된다. 핫 플레이서의 하부 모서리는 곡선 28로 표시되고, 콜드 디스플레이서의 상부 모서리는 곡선 30으로 표시된다. 상태 'd'에서, 디스플레이서들은 둘다 그 중앙 지점에 있고, 서로 근접해 있다. 상태 'd'로부터 상태 'e'로 진행함에 있어서, 콜드 디스플레이서는 정지된 상태에 있고, 핫 디스플레이서는 위쪽으로 이동한다. 상태 'e'로부터 상태 'f'로 진행함에 있어서, 핫 디스플레이서는 정지된 상태에 있고, 콜드 디스플레이서는 아래쪽으로 이동한다. 상태 'f'로부터 상태 'g'로 진행함에 있어서, 핫 디스플레이서는 아래쪽으로 이동하고, 콜드 디스플레이서는 정지된 상태로 유지된다. 상태 'g'로부터 출발점 'd'로 되돌아 옴에 있어서, 핫 디스플레이서는 정지된 상태로 유지되고, 콜드 디스플레이서는 위쪽으로 이동한다. 도 6에서의 사이클은 3 공정들로 완성되고, 도 7에서의 사이클은 4 공정들로 완성된다. 따라서, 디스플레이서들이 도 7에서 도 6의 사이클 속도와 동일하게 이동하면, 디스플레이서가 동일한 역학 관계를 가질 때, 도 7의 사이클을 완성하는데 도 6의 사이클 보다 대략 1-1/3배 더 걸리게 된다.
도 7의 사이클에 대한 대안으로서, 디스플레이서들의 이동이 약간 중첩되는 사이클인데, 이는 도 8에 도시된다. 핫 디스플레이서 이동의 상부 모서리는 곡선 32로 도시되고, 콜드 디스플레이서의 하부 모서리는 곡선 34로 도시된다. 도 8의 시간 220에서, 콜드 디스플레이서가 그 상측 방향 이동을 마치면서, 핫 디스플레이서가 상측 방향 이동을 시작하게 된다. 시간 222에서, 콜드 디스플레이서는 그 상부 위치(먼 위치)에 이르게 되고 시간 224까지 거기에 머무러게 된다. 시간 224에서, 핫 디스플레이서는 아직 상부 위치(먼 위치)에 도달하지 않으며, 이는 시간 226에 일어난다. 한편, 콜드 디스플레이서는 시간 224에서 226까지의 동안에 상측 방향 이동을 마친다. 핫 디스플레이서는 226부터 228까지 그 상부 위치에서 정지된 상태에 있다. 콜드 디스플레이서는 시간 230에서 하측 방향 이동을 완성하고, 그 다음에 시간 232까지 그 하부 위치에 머무러게 된다. 한편, 핫 디스플레이서는 시간 228부터 시간 234까지 하측 방향으로 이동한다. 시간 232에서, 콜드 디스플레이서는 시간 234, 시간 220', 및 시간 222'에 걸쳐 상측 방향으로 이동한다. 핫 디스플레이서는 시간 234로부터 시간 220'에 걸쳐 정지 상태로 유지된다. 시간 220'에서, 완벽한 사이클이 완성되고, 디스플레이서들의 위치는 시간 220'에서 시간 220과 마찬가지로 동일한다.
디스플레이서 이동 속도는 스프링 상수 및 시스템의 다른 특성들에 의해 결정된다. 도 7 및 8에 도시된 실시예들은 동일한 배열을 가지는 것으로 보기에, 디스플레이서들은 도 7 및 8에서 동일한 속도로 이동한다. 그러나, 핫 디스플레이서의 이동은 콜드 디스플레이서가 그 가장 먼 위치에 이르기 전에 개시되기 때문에(그리고 도 8에 도시된 사이클의 반대 방향도 같음), 도 8의 사이클은 도 7의 사이클 보다 적은 시간에 완성된다. 그러한 사이클은 보다 높은 출력을 제공한다.
도 6-8에 관한 사이클의 논의는 가능한 최고 출력 사이클을 설명해 준다. 출력의 감소를 얻기 위해서는, 사이클의 부분들 사이의 기간 동안에 양쪽 디스플레이서가 정지된 상태로 유지하는 것이다. 그러한 디스플레이서 이동의 일례는 도 9에 도시된다. 핫 디스플레이서 이동은 곡선 260으로 도시되고, 콜드 디스플레이서 이동은 곡선 262로 도시된다. 시간 240에서, 양쪽 디스플레이서들은 그들 실린더내에서 그 중앙 지점에 있다. 핫 디스플레이서는 시간 240과 시간 242 사이에 상측 방향으로 이동한다. 양쪽 디스플레이서들은 시간 242와 시간 244 사이에 정지된 상태로 유지된다. 지속 시간은 도 9에 도시된 것 보다 더 짧거나 길게 할 수 있다. 양쪽 디스플레이서들이 정지 상태에 있는 동안의 다른 간격들은 시간 246과 시간 248 사이, 그리고 시간 250과 시간 252 사이이다. 또한, 이는 요구되는 출력을 충족시키기 위하여 더 짧거나 길게 할 수 있다. 게다가, 그 간격 동안에 디스플레이서들은 사이클의 다른 부분에서 상이하게 될 수 있다. 예컨대, 핫 디스플레이서가 먼 위치에 있고 콜드 디스플레이서가 그 중앙 위치에 있는, 시간 242와 시간 244 사이의 간격은 다른 간격들 중의 하나, 즉 시간 246 내지 시간 248 또는 시간 250 내지 시간 252과 상이한 길이를 가질 수 있다.
실린더의 직경이 상이한 뷜레우미에 히트 펌프가 도 10에 도시된다. 핫 디스플레이서 실린더(28)는 콜드 디스플레이서 실린더(30) 보다 더 큰 직경을 가진다. 핫 디스플레이서 실린더내에서 왕복하는 핫 디스플레이서(32)는 또한 콜드 디스플레이서 실린더(32)내에서 왕복하는 콜드 디스플레이서(34) 보다 더 크다. 스트로크가 상이한 히트 펌프가 도 11에 도시된다. 핫 디스플레이서 실린더(40)는 핫 디스플레이서(42)를 구비하고, 콜드 디스플레이서 실린더(41)는 콜드 디스플레이서(44)를 구비한다. 핫 디스플레이서(42)의 스트로크는 콜드 디스플레이서(44)의 스트로크 보다 적다.
특정 실시예를 참조하여 최선의 실시예가 설명되어졌지만, 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이어지는 청구범위내에서 다양한 대안적인 설계 및 실시예를 도출 내지 인식할 수 있을 것이다. 하나 이상의 요구되는 특성들에 대하여 최선의 실시예 또는 이점들을 제공하기 위하여 다양한 실시예들이 설명되었지만, 당업자라면 하나 이상의 특징들이 특정 응용 및 실시에 따라 요구되는 시스템 특성을 달성하기 위하여 타협될 수 있음을 인지할 수 있을 것이다. 이러한 특성들은 여기에 제한되는 것은 아니지만, 비용, 강도, 내구성, 라이프 사이클 비용, 시장성, 외관, 포장, 사이즈, 서비스능률, 무게, 제조능률, 조립 용이 등을 포함한다. 하나 이상의 특징들에 대하여 다른 실시예 또는 종래 실시예 보다 덜 바람직한 실시예 또한 본 발명의 범위을 벗어나는 것이 아니며, 특정 응용을 위해 바람직한 것이 될 수 있다.

Claims (10)

  1. 히트 펌프를 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 히트 펌프는 핫 실린더내에서 왕복하도록 적응된 핫 디스플레이서 및 콜드 실린더내에서 왕복하도록 적응된 콜드 디스플레이서를 구비하고, 상기 핫 디스플레이서는 핫 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치를 가지며 상기 콜드 디스플레이서는 콜드 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치를 가지고; 상기 방법은,
    상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 실린더내에서 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동하고;
    상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 실린더내에서 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동하고;
    상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 실린더내에서 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동하고;
    상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 실린더내에서 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동하고;
    여기서, 상기 작동들은 주어진 순서로 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 실린더내에서 중심 위치와 먼 위치 사이에서 이동하는 시간 동안, 그 시간 중 적어도 일부 동안에 상기 콜드 디스플레이서가 정지된 상태로 유지되고;
    상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치 사이에서 이동하는 시간 동안, 그 시간 중 적어도 일부 동안에 상기 핫 디스플레이서가 정지된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 핫 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 1을 이루며;
    상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 2를 이루며;
    상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 3을 이루며;
    상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하도록 작동시켜서 공정 4를 이루며;
    공정 1, 공정 2, 공정 3, 공정 4가 순서대로 이어져서 한 사이클을 이루는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    공정 1과 공정 2 사이의 제1 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하고;
    공정 2와 공정 3 사이의 제2 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하고;
    공정 3과 공정 4 사이의 제3 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하고;
    공정 4과 공정 1 사이의 제4 설정 시간 동안에 양쪽 디스플레이서들을 정지 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 히트 펌프에 있어서,
    핫 디스플레이서 실린더내에 배치된 핫 디스플레이서;
    콜드 디스플레이서 실린더내에 배치된 콜드 디스플레이서;
    작동될 때, 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치 사이에서 왕복하도록 하는 핫 디스플레이서 액츄에이터;
    작동될 때, 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치와 중심 위치 사이에서 왕복하도록 하는 콜드 디스플레이서 액츄에이터;
    상기 핫 디스플레이서 액츄에이터와 상기 콜드 디스플레이서 액츄에이터에 연결된 전자 제어 유닛(ECU);를 포함하고,
    상기 ECU는 상기 핫 디스플레이서 및 콜드 디스플레이서가 다음의 일련의 배열들을 통하여 이동하도록 명령하고;
    -제1 배열은 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 근접해 있으며;
    -제2 배열은 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 근접해 있으며;
    -제3 배열은 상기 핫 디스플레이서 실린더내내의 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치에 근접해 있으며;
    -제4 배열은 상기 핫 디스플레이서가 상기 핫 디스플레이서 실린더내에서 중심 위치에 있고 상기 콜드 디스플레이서가 상기 콜드 디스플레이서 실린더내에서 먼 위치에 근접해 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프.
  6. 제 5 항에 있어서,
    한 사이클은 제1 배열로부터 제2 배열, 제3 배열, 제4 배열, 제1 배열로 이동하는 것을 포함하고;
    상기 핫 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치에 정지 상태로 유지되고;
    상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치로부터 먼 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치에 정지 상태로 유지되고;
    상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치에 정지 상태로 유지되고;
    상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는데 걸리는 시간의 적어도 일부 동안에, 상기 핫 디스플레이서가 중심 위치에 정지 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 콜드 디스플레이서 실린더의 중심축은 상기 핫 디스플레이서 실린더의 중심축과 동일 선상에 있는 것을 특징으로 하는 히트 펌프.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 핫 디스플레이서 실린더의 직경은 상기 콜드 디스플레이서 실린더의 직경 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 히트 펌프.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 핫 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는 거리는 상기 콜드 디스플레이서가 먼 위치로부터 중심 위치까지 이동하는 거리 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 히트 펌프.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 핫 디스플레이서가 중심 위치와 먼 위치 사이를 이동하는데 걸리는 시간은 상기 콜드 디스플레이서가 중심 위치와 먼 위치먼 위치동하는데 걸리는 시간과 상이한 것을 특징으로 하는 히트 펌프.
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