KR20190084032A - 동적으로 제어 가능한 유압식 배출구를 포함하는 열 기관 - Google Patents

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KR20190084032A
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Abstract

압력 용기(1), 뚜껑(1.1), 이동 가능한 격벽(2), 가스 작업 공간(4), 유체 작업 공간(5) 및 환열기(7)를 포함하는 가스 터빈 및 고압 펌프에 의하여 구동되는, 동적으로 제어 가능한 유압 배출(hydraulic outlet)을 포함하는 열기관에 있어서, 상기 압력 용기(1)와 뚜껑(1.1) 사이에 씰(1.4)이 배치되고, 여기서 상기 압력 용기(1)의 내부 공간에서 상기 격벽(2)은 상기 뚜껑(1.1)에 부착된 접힌 멤브레인(3)에 이동 가능하게 부착되고, 여기서 상기 격벽(2)은 상기 압력 용기(1)의 내부 공간을 가스 작업 공간(4)과 유체 작업 공간(5)으로 분할하고, 여기서 상기 가스 작업 공간(4)은 그것의 넓은 영역을 차지하고, 여기서 상기 가스 작업 공간(4)은 접힌 투과성 멤브레인(4.4)에 의해 둘러싸이고, 형상부(1.8)는 상기 압력 용기 내부에 배치되고, 이는 상기 압력 용기(1)의 쉘 및 상기 형상부(1.8) 사이에서 유도되는 외부 가스 채널(10)을 한정하고, 원주 방향 가스 채널(4.3)은 상기 형상부(1.8) 및 상기 접힌 멤브레인(3) 사이 그리고 추가로 제1투과성 멤브레인(4.5) 및 상기 격벽(2) 사이에 위치하며, 여기서 상기 가스 작업 공간(4)은 그것의 부피의 99%보다 큰 다공성을 갖는 고체 물질로 제조된 미세 구조(4.1)로 채워지고, 환열기(7)가 연결된 제2투과성 멤브레인(4.6)으로 둘러싸여 있으며, 그 공간에는 열 전달 매체의 입구/출구(8.1)에 연결된 열교환 기(8)가 배치되며, 여기서 상기 환열기(7)는 상기 형상부(1.8)에 의해 추가로 둘러싸이고, 이는 상기 제2투과성 멤브레인(4.6)에 의해 상기 가스 작업 공간(4)으로부터 분리되고, 상기 외부 가스 채널(10)은 상기 가스 작업 공간(4)과 그것의 연결 반대편에서 상기 환열기(7) 공간으로 공급되고, 상기 외부 가스 채널은 원주 방향 가스 채널(4.3)에 연결된 내부 가스 채널(10.1)에 추가로 공급되는 공압 액추에이터(6) 챔버(6.1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열기관.

Description

동적으로 제어 가능한 유압식 배출구를 포함하는 열기관
본 발명은 큰 힘의 직선 작용(rectilinear action)이 요구되는 작업 활동을 위해 고안된 가스 터빈 및 고압 펌프에 의해 구동되는 동적으로 제어 가능한 유압 배출을 포함하는 열기관에 관한 것이다.
열기관(heat engine)은 공급된 물질의 에너지가 운동 에너지로 변환되는 순환 과정을 사용한다. 상기 열기관 에너지 출력(output)의 토크 특성이 그것으로부터 직접적으로 사용하기에 적합하지 않을 수 있으므로 실제로 필요에 맞게 조정한다. 이를 위해 소위 동력 전달을 위한 인터페이스(interface for power transmission)를 사용한다. 동력 전달용 유압 시스템은 현재 큰 힘의 직선(rectilinear) 운동이 요구되는 기계 구동 및 작업 활동에 일반적으로 사용된다.
현재의 기술 분야에서, 고압 펌프는 구동원(drive source)으로서 전기 엔진과 같은 가장 일반적인 회전 기계(rotary machine)를 사용한다. 고출력(higher power) 및 특수 용도의 경우 또는 사용 가능한 전기 에너지원이 없는 경우 내연 기관 또는 터빈을 드라이브(drive)로 사용할 수 있다.
고압 펌프의 전기 에너지 소스로서 사용되는 열기관의 일 실시 예가 "유압 출력을 포함하는 열기관"이라는 제목으로 WO02070887에 기술되어 있다. 본 발명에 따른 유압 시스템은 반복적인 피스톤 유도 압력 서지(repeated piston induced pressure surge)가 유압 유체(hydraulic liquid)를 펌핑하고 상기 유압 유체의 기계적 에너지를 선형 또는 회전 운동으로 변환시키는 방식으로 설정되고 구성된다. 본 엔진의 작동을 위한 열 에너지는 고온의 플루 가스(flue gas)로부터 얻어진다. 기본적인 실시 예에서, 열기관 쉘(heat engine shell)이 고온 플루 가스로부터 작업 가스로 열을 전달하는데 사용된다. 상기 엔진 쉘에서는 상기 엔진 내부의 작업 가스의 측면뿐만 아니라 고온의 플루 가스 측면으로부터, 상기 고온의 플루가스에서 작업 가스로 열을 전달하기 위해 라멜라 리브(lamella rib)가 배열된다. 상기 작업 가스는 작업 챔버에서 상기 열기관 내에서 기밀식으로(hermetically) 밀봉되고 유압 유체가 들어있는 메인 펌프 챔버에서 탄성적으로(resiliently) 분리된다. 상기 작업 챔버(working chamber)는 디스플레이서(displacer)에 의해 상부와 하부의 두 부분으로 나누어진다. 상기 디스플레이서(displacer)는 상기 메인 펌프 챔버의 유압 유체에 잠겨있는 전기 엔진에 연결된 샤프트에 연결된다. 상기 디스플레이서(displacer)는 작업 챔버를 상부와 하부의 두 부분으로 나눈다. 상기 디스플레이서의 상향 및 하향 순환 이동으로 인해, 상기 작업 챔버의 상부 및 하부의 볼륨이 교대로 변화하며, 바람직하게는 일 단계에서 작업 챔버 부분 중 하나의 볼륨이 최소가 되고 다른 작업 챔버 부분의 볼륨이 최대가 된다. 상기 디스플레이서(displacer) 위에 배치된 상기 작업 챔버의 상부로 들어가고 나오는 상기 작업 가스는 열기관 쉘을 지나게 된다. 여기서, 고온의 플루 가스는 열에너지를 작업 가스(working gas)에 전달한다. 상기 작업 챔버의 상부에서 최대 작업 가스 볼륨의 위상에서, 상기 전체 작업 챔버의 볼륨 및 압력은 최대이다. 상기 작업 가스의 팽창은 메인 펌프 챔버 내의 유압 유체에 압력을 가하고, 이는 그 후 파이프 라인에 의해 메인 펌프 챔버 밖으로 배출된다. 상기 유압 유체는 상기 펌프 챔버에서 파이프 라인, 역전 밸브 및 열교환기를 통해 제1컨테이너로 흐른다. 제1컨테이너에서부터 출력 작동 유닛(output working unit)까지, 그리고 파이프 라인을 통해 제2컨테이너까지, 그것은 다른 역전 밸브를 통해 역으로 다시 돌아가고 냉각부(cooling portion)는 다시 펌프의 메인 챔버로 되돌아온다. 축압기(accumulator)는 상기 시스템 압력을 엔진의 압력보다 높게 유지하여 상기 디스플레이서가 위쪽으로 움직일 때 펌프 챔버의 압력 강하가 역전 밸브를 통하여 유압 유체의 흐름을 멈추지 않도록 한다. 상기 전체 유압 시스템의 상기 컨테이너 크기와 배관 직경은 필요한 유압 유체 흐름이 상기 엔진에서 출력 유닛으로 에너지를 소모할 수 있도록 충분히 커야한다. 전력 소스로서 주기적인 유압 유체 서지 서지(surge)를 사용하는 유압 펌프의 실시 예에서, 상기 유압 유체는 입구에서 접선 방향으로 그리고 출구에서 접선 방향 또는 축 방향으로 펌핑된다. 펌프를 구비한 이 실시 예에서, 상기 유압 유체는 접선 입구를 통해 펌프 내로 유입되고 나선형 경로를 통해 펌프 출구에 위치한 펌프의 하부로 흐른다. 역방향 밸브는 펌프의 단방향(unidirectional) 흐름을 유지하기 위해 펌프의 액체 유입구 또는 배출구에서 사용될 수 있다. 축 방향 출력(axial output)을 갖는 유압 펌프를 갖는 열기관의 일 실시 예에서, 상기 유압 유체는 상기 펌프의 하부를 통해 펌프로 들어가고, 접선 방향 출구로의 나선형 경로를 통과하는 흐름을 제공하는 3차원 엘보로 더 흐른다. 이 실시 예는 상기 엔진을 통한 액체 유동의 압력과 속도 사이의 의존성에 있어서 구조적 제한을 수반한다. 이러한 솔루션에 대한 동적 출력 제어는 불가능하다.
열 펌프로서 유용한 스털링 엔진(Stirling engine)은 WO8200319에 기술되어 있다. 이 실시 예에서, 작업 용기(working vessel)는 작업 가스-헬륨으로 채워지고, 상기 용기는 하단부(lower end )에서 가열되고 상단부에서 냉각된다. 상기 용기는 작업 용기에 플렉서블하게 부착된 디스플레이서를 포함한다. 상기 디스플레이서는 상기 작업 가스를 한쪽에서 다른 쪽으로 옮겨 상기 작업 가스를 교대로 가열 및 냉각시킨다. 상기 용기는 플렉서블 멤브레인에 의해 폐쇄되며, 이는 상기 용기에서 생성된 압력 파(pressure wave)에 의해 구부러진다. 상기 멤브레인이 구부러지면서, 유압 챔버에서 유압 유체를 변위시키고 선형 교류 발전기와 가스 압축기를 제어하기 위한 서보 모터를 구동한다.
중국특허 제103883425B호는 열원으로서 열 저장소를 포함하는 스털링 엔진의 유압 전달(hydraulic transmission)을 개시한다. 상기 엔진은 외부 쉘의 열 컨테이너, 가열 요소, 열 교환 시스템, 공기 입구, 열저장 요소, 스털링 엔진 유압 전달 요소, 유압 파이프 라인, 유압 시스템 액체 저장소, 유압 엔진 및 뜨거운 공기 덕트를 포함한다. 상기 스털링 엔진 유압 기어링(gearing)의 요소는 2단계 유형이다.
미국 특허 출원 제2002073703A호는 특히 자동차(motor vehicle)를 위한 피스톤 엔진이 없는 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 적어도 하나의 유압 펌프를 포함하며, 각각의 펌프에는 제1 및 제2 액체 통로(liquid passage)가 제공된다. 피스톤이 없는 내연 기관은 연소 실린더 및 유압 실린더를 포함한다. 저압력 축압기(low-pressure accumulator)는 액체를 통해 유압 실린더에 연결된다. 제1제어 밸브는 저압력 축압기와 유압 실린더를 연결한다. 적어도 하나의 고압력 축압기가 상기 액체를 통해 상기 유압 실린더에 연결되고, 상기 연결부에는 적어도 하나의 제2제어 밸브가 제공된다. 제3제어 밸브는 상기 유압 실린더를 각 펌프의 제1액체 채널과 상호 연결한다. 제4제어 밸브는 상기 유압 실린더를 각 펌프의 제2액체 채널과 연결한다. 제1작동 압력 용기는 각 펌프와 제3제어 밸브 또는 제4제어 밸브 사이에 연결된다.
WO8400399A는 작업 액체에 의해 구동되는 작업 피스톤이 배치된 작업 챔버의 고온 단부와 저온 단부 사이에서 이동 가능한 디스플레이서를 갖는 열기관을 개시한다. 유압 유체 작업 피스톤 펌프 및 유압 제어 밸브는 상기 밸브가 유압 유체 흐름을 조절할 수 있도록 유압 출구 파이프 라인에 연결된다. 상기 작업 피스톤은 디스플레이서의 움직임과 독립적으로 제어 장치를 사용하여 제어할 수 있다.
국제 특허 출원 WO 0004287 A는 하우징과 비압축성 액체를 함유하는 챔버를 갖는 운동 발생기(motion generator)를 개시한다. 하우징의 개구부는 가동 요소에 의해 둘러싸여 있다. 반대편은 볼록하고, 상기 하우징의 가요성 벽은 압축성 가스를 포함하는 내부 변조 챔버를 형성한다. 상기 벽의 대향 단부는 상기 챔버를 압축 및 가압하기 위해 운동 변환기, 예를 들어 세라믹 압전 부재(ceramic piezoelectric member)에 서로를 향하여 그리고 서로 이격되어 움직일 수 있고, 이로써 상기 가동 요소를 이동시키고 출력 운동을 발생시킨다.
특허 출원 WO 2006044387 A는 액체를 제1저압 공급원으로부터 제2고압 액체 공급원으로 펌핑하기 위한 펌프를 개시하며, 상기 펌프는 챔버를 포함한다. 디바이더 부재(divider member)는 챔버 내에 이동 가능하게 위치되고 챔버를 상이한 부피의 제1 및 제2서브 챔버로 분할한다. 제1서브-챔버는 제2액체 공급원 또는 제3액체 공급원에 제어 가능하게 연결된 개구를 갖는다. 제2서브-챔버는 제1 및 제2 액체 공급원에 제어 가능하게 연결된 입구 및 출구 개구를 갖는다. 상기 펌프는 제1서브-챔버 내의 액체를 냉각시키기 위한 냉각 장치를 더 포함한다.
유압식 동력 전달(Hydraulic power transmission)은 일반적으로 엔진의 기계적 일을 액체의 잠재력 또는 운동 에너지로 변경하는 것을 수반한다. 이 유압식 시스템은 고압 펌프, 유체 유량 제어 시스템 및 유압 드라이브 또는 엔진이라는 세 가지 기본 부분으로 구성된다. 이 실시 예에 따른 유압 시스템에서, 상기 유압 유체의 관성(inertia) 및 실제 비압축성(practical incompressibility)으로 인해 유압 유체 흐름을 제어하는 과정에서 압력 서지(pressure surges)가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 제거하려면 기술적으로 까다로운 솔루션이 필요하다. 파이프 라인 분배, 유압 유체 흐름 제어 및 압력 서지에 의해 야기되는 압력 손실은 전체 시스템의 효율과 수명을 감소시킨다.
열 에너지의 외부 공급원을 포함하는 열기관은 이전에 기술 실무에서 나타났다. 연소 엔진의 기술적 개선으로 인해 외부 열 공급원을 포함하는 열기관의 장점은 기존 솔루션의 구조적 어려움을 극복하지 못했다. 기술적인 문제는 주로 영구적인 내부 과압이 있는 장치의 기계적 출력과 기계적으로 매우 로드된 내부 가동 부품의 필요에 의하여 발생한다. 작동 신뢰성, 기밀성 및 쉬운 서비스의 불충분한 제공은 기술 실무에서 이러한 유형의 엔진의 사용을 방지한다.
본 발명은 고압 유압 유체 출력으로 동적으로 제어 가능한 열 에너지 전달을 포함하는 장치를 설계하는 것을 목적으로 한다. 이러한 장치는 유압 출구, 하나의 유체 챔버 및 가스로 채워진 하나의 작업 챔버를 포함하는 열기관이며, 여기서 상기 작업 챔버 내의 가스의 이동은 공압 액추에이터(pneumatic actuator)에 의해 제어될 수 있다.
전술한 단점은 압력 용기, 뚜껑, 이동 가능한 격벽, 가스 작업 공간, 유체 작업 공간 및 환열기를 포함하는 가스 터빈 및 고압 펌프에 의하여 구동되는, 동적으로 제어 가능한 배출(outlet)을 포함하는 열기관에 의하여 제거되며, 이의 원리는 그것이 뚜껑을 포함하는 압력용기를 포함하며, 그 사이에 씰(seal)이 배치되는 것을 특징으로 하며, 여기서 상기 압력 용기의 내부 공간에서 상기 격벽은 뚜껑에 추가로 부착된 멤브레인에 이동 가능하게 부착되며, 여기서 상기 격벽은 상기 압력 용기의 내부 공간을 가스 작업 공간과 유체 작업 공간으로 분할하고, 여기서 가스 작업 공간은 그것의 넓은 영역을 차지하며, 여기서 상기 가스 작업 공간은 제1격벽의 영역에서의 제1투과성 멤브레인, 그 원주(circumference) 상의 접힌 투과성 멤브레인, 및 상기 환열기 연결 지점에서 제2투과성 멤브레인에 의해 둘러싸여 있으며, 추가로 형상부는 외부 가스 채널을 한정하는 상기 압력 용기 내부에 위치하며 외부 가스 채널은 상기 압력 용기의 쉘과 상기 형상부 사이에 위치하고, 원주 방향 가스 채널은 상기 형상부 및 상기 접힌 투과성 멤브레인 사이 추가로 상기 격벽 및 제1투과성 멤브레인 사이에 위치하고, 여기서 상기 가스 작업 공간은 메쉬에 의해 강화된 큰 다공성의 미세 구조로 채워진다. 상기 채워진 가스 작업 공간은 제2투과성 멤브레인을 통해 환열기에 연결되고, 열 에너지원에 연결된 교환기가 상기 환열기의 공간 내에 배치되고, 상기 환열기는 상기 형상부에 의해 추가로 둘러싸이고, 상기 외부 가스 채널은 가스 작업 공간 입구의 대향 측(opposite side) 상에서 상기 환열기로 공급되고(fed), 상기 외부 가스 채널은 원주 방향 가스 채널에 연결되고 추가로 상기 가스 작업 공간을 둘러싸는 접힌 투과성 멤브레인 및 투과성 멤브레인에 연결되는 내부 가스 채널을 공급하는 공압 액추에이터 챔버에 연결된다.
이것은 작업 가스가 상기 압력 용기의 상기 가스 작업 챔버에서 기밀(hermetically) 밀봉되는 가스 열 기관의 실시 예이다. 그것의 열/부피/압력 변화가 작업을 수행한다.
본 발명의 원리는 기계식 디스플레이서(mechanical displacer)를 공압 액추에이터로 대체하기 때문에 작업 공간(working space)의 고온 및 저온 부분을 분리할 필요가 없다. 원래, 디스플레이서에 의해 고온 및 저온으로 분리된 작업 공간은 본 발명의 실시 예에서 단일 작업 챔버(working chamber)로서 설계된다. 이 작업 공간은 높은 다공성(porosity)의 미세 구조로 채워지므로 최소 부피 중량(minimum volume weight)으로 채워진다. 상기 미세 구조는 이러한 방식으로 채워진 공간을 통해 흐르는 가스의 완만한 압력을 견뎌야 한다. 이러한 미세 구조를 보다 큰 규모로 유지하기 위해, 상기 가스 작업 공간의 벌크 변화(bulk change) 방향에 수직인 평면에서 보강 섬유(reinforcing fibre)의 메쉬로 얽혀져 있다. 상기 메쉬와 메쉬 섬유의 상호 거리는 작업 공간 내의 작업 가스 유동의 원하는 동역학(dynamic)에 따라 달라진다. 이러한 거리의 범위는 미세 구조 구성요소의 평균 거리의 대략 100배에서 10,000배이다.
이 미세 구조는 상기 가스 작업 공간 내에서 열의 대류 및 복사 전파의 가능성을 상당히 감소시킨다. 상기 가스 작업 공간에 대한 가스 유입 및 배출 지점에는 가스 투과성을 방해하는 멤브레인이 있다. 이러한 멤브레인은 작업 가스가 가스 작업 공간으로 균일하게 흐르도록 그리고 가스 작업 공간 내부의 미세 구조와 함께 저온 및 고온 가스의 난류 혼합을 최소화하는 것을 보장한다. 상기 미세 구조는 가스 작업 공간의 상이한 위치에서 상이한 벌크 밀도(bulk density)를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 이 미세 구조를 통한 상기 작업 가스의 통과에 대한 저항이 국부적으로 결정될 수 있고, 가스 작업 공간에서의 작업 가스의 퍼짐(spreading) 방향 또한 결정될 수 있어서, 상기 작업 가스의 물리적 파라미터의 변화에 대한 최대 부피를 최대한 활용할 수 있다. 상기 가스 작업 공간은 고온의 가스에 의해 일측면 또는 중앙에서 채워지고 비워지며, 저온 가스에 의해 다른 측면 또는 원주(circumference)로부터 채워지고 비워진다. 더 큰 규모의 난류(turbulent flow)를 제거함으로써 상기 미세 구조 내의 가스의 이동은 동시에 고온 작업 가스와 저온 작업 가스 사이의 계면에서 고온 구배(high temperature gradient)를 갖는 동적으로 움직이는 구역(dynamically moving zone)을 생성할 것이다. 이 구역은 공압 액추에이터에 의해 제어되는 상기 작업 가스의 흐름 변화로 인해 이동하고 변경된다. 상기 가스 작업 공간에서 흐름을 조절하는 것은 더 높은 질량을 갖는 가스 작업 공간 부분의 온도 변화 및 심지어 열적 용량, 이상적으로 미세 구조 및 메쉬 섬유의 온도 변화에 대한 노출을 최소화하는 것을 목표로 할 것이다. 상기 가스 작업 공간에서 질량 디스플레이서(mass displacer)의 부재가 평균 온도 및 따라서 상기 가스 작업 공간에서의 상기 작업 가스의 압력/부피의 임의의 급격한 변화를 허용하는 것이 바람직하다. 상기 가스 작업 공간을 유체 작업 공간과 압력 결합시킴으로써, 압력/부피의 변화는 유체 작업 공간에서 즉시 발생한다. 이러한 평균 온도의 변화는 냉각 및 가열 열교환기 및 환열기를 통해 상기 가스 작업 공간을 채우면서 동시에 비우기 때문에 가능하다. 변화의 동역학(dynamics of the change)은 이 흐름의 속도(velocity of this flow)에 의해 형성되고, 이는 공압 액추에이터에 의해 생성된 압력차에 기인한다. 상기 공압 액추에이터에 의해 생성된 이러한 압력차는 그 회전 속도뿐만 아니라 한 쌍의 양방향 가스 채널에 대한 공압 액추에이터 챔버의 임펠러 설정에 의해서도 결정된다. 평균 온도 및 따라서 가스 작업 공간의 압력 및 부피 및 따라서 전체 엔진의 압력을 증가 또는 감소시키는 것은 상기 작업 가스의 내부 흐름의 방향에 의해 형성된다. 상기 가스 작업 공간에서의 작업 가스의 이동은 공압 액추에이터를 통해 정밀하게 제어할 수 있다; 상기 가스 작업 공간에서의 가스 흐름의 영향이 미세 구조의 비가역적인 압축 또는 붕괴 또는 다른 부품에 대한 기계적 손상이 발생하는 한계를 절대 초과하지 않도록 보장할 필요가 있다. 또한 상기 작업 공간 내부의 작업 가스 온도가 미세 구조 및 상기 장치의 다른 부품의 온도 저항 한계를 초과하지 않도록 보장할 필요가 있다.
종래 기술의 주된 단점은 유압 시스템의 구동(drive) 및 제어 부품의 통합 원리에 의해 해결된다. 이러한 방식으로 고안된 솔루션은 상기 구동 및 제어 유압 시스템에서 압력 서지(pressure surge) 가능성을 크게 줄인다. 상기 엔진은 설계가 상당히 간단하며 영구적으로 높은 압력을 받는 부품에 기계적으로 상당히 로드된 부품(loaded part)을 포함하지 않는다. 공압 액추에이터를 포함하는 자기 베어링(magnetic bearing)을 사용하는 경우 열기관 내부의 가동 부품 간에 간섭이 없으므로 신뢰성과 수명에 큰 영향을 미친다. 압력 변화가 심한 유압 응용(hydraulic application)에서 이 열기관은 기존 시스템에서 허용되지 않은 동적인 솔루션을 제공한다. 중량-성능 비율(weight-performance ratio)과 같은 다른 매개 변수는 유압 시스템의 압력 서지의 부하가 낮고 조절 구성요소(regulatory element)가 없기 때문에 획기적으로 향상된다. 잠재적으로 유압 엔진/드라이브에 짧고 무제한으로 연결되기 때문에 상당한 시스템 압력 강하가 크게 감소할 것으로 예상되고 특히 압력 변화의 높은 동력(dynamic)을 갖는 유압 시스템의 경우 전반적인 효율이 향상될 수 있다. 이 실시 예의 에너지원은 열 에너지이므로, 동력원(power source)의 선택은 기존의 유압 시스템보다 훨씬 넓다. 동시에 대체 및 재생 가능한 열원 및 에너지원을 사용할 수 있다. 최적 모드에서 주기적인 변화와 함께, 상기 장치의 유압 출력을 펌프로 직접 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 장치는 동일한 작업 공간에서 압력을 증가시킴으로써 더 높은 전력이 달성될 수 있는 고압에서 작동할 것이다.
부적절한 작동 신뢰성, 기밀성(hermeticity) 및 서비스 용이성, 기존 설계 솔루션과 공통점은 새로 설계된 장치에서 해결된다. 상기 장치의 설계로 높은 신뢰성을 제공하므로 이동 지점에서 밀봉할 필요없이 완벽한 캡슐화가 가능하다. 열기관 내부에는 고도로 기계적으로 하중된 부품이 없으며 가동 부품의 상호 접촉이 필요 없으므로 윤활이 필요하지 않으며, 이러한 부품의 수명에 큰 영향을 미치며, 따라서 정기적인 유지 보수 및 내부 부품이나 유체의 교체가 필요없는 영구적인 밀폐(hermetic) 디자인에서 상기 장치의 고압 부품(pressurized part)이 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다; 도 1은 팽창 단계(expansion phase)에서 내부 교환기(internal exchanger)를 포함하는 예시적인 실시 예를 도시하며, 도 2는 압축 단계(compression phase)에서 내부 교환기를 갖는 예시적인 실시 예를 도시하며, 도 3은 전기 환열기(electric recuperator)의 상세도를 도시하며, 도 4는 팽창 단계에서 쉘 내의 교환기를 포함하는 열기관의 예시적인 실시 예를 도시하며, 도 5는 압축 단계에서 쉘 내의 교환기를 포함하는 열기관의 예시적인 실시 예를 도시하며, 도 6은 롤러 베어링(roller bearing)을 포함하는 실시 예에서 가스 액추에이터(gas actuator)의 실시 예의 상세도 "B"를 도시하며, 도 7은 공압 액추에이터(pneumatic actuator)의 A-A 단면도를 도시하며, 도 8은 자기 베어링(magnetic bearing)을 포함하는 실시 예에서 공압 액추에이터의 상세를 도시하며, 도 9는 액추에이터 임펠러(actuator impeller)를 도시하며, 도 10은 작업 공간(working space)을 채우는 실시 예의 상세도 "C"를 도시하며, 도 11은 메쉬(mesh)의 예시적인 실시 예를 도시하며, 도 12는 접힌 투과성 멤브레인(folded permeable membrane)의 주름(fold)에 고정된 메쉬 에지(mesh edge)의 실시 예의 상세도 "D"를 도시한다.
본 발명은 대응하는 도면을 참조하여 동적으로 제어 가능한 유압식 배출을 포함하는 열기관의 예시적인 실시 예에 대한 이하의 설명에서 설명될 것이다. 본 도면에서, 본 발명은 내부 열 교환기(heat exchanger)를 포함하는 열기관 및 압력 용기 쉘(pressure vessel shell) 내의 가열 열 교환기(heating heat exchanger)를 포함하는 열기관의 예시적인 실시 예에 의해 설명된다.
내부 열교환기(internal heat exchanger)를 포함하는 열기관이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 이 실시 예에서, 상기 열기관은 압력 용기(1) 및 뚜껑(1.1)으로 구성되며, 이들 사이에 씰(seal)(1.4)이 배열된다. 상기 압력 용기(1)는 원통형이며, 부피 조밀도(volume compactness)와 내압(internal pressure)의 관점에서 최적이고, 이러한 용기 형상은 상기 장치의 정확한 작동을 위한 필수 조건은 아니다. 상기 압력 용기(1)는 격벽(2)에 의해 2개의 작업 공간(working spaces)으로 더 분할된다. 이들은 가스 작업 공간(4)과, 열기관으로부터 기계적 일(mechanical work)을 배출시키는 유압 입구/출구(5.1)에 의해 종결되는 유체 채널(5.2)이 공급되는 유체 작업 공간(5)이다. 상기 가스 작업 공간(4)은 상기 압력 용기(1)의 넓은 부분을 차지하며, 상기 볼륨과 비교하여 가작 작은 표면을 갖는 볼(ball)과 유사하게 그것의 최적의(optimal) 형상은 콤팩트(compact)하며, 이 가스 작업 공간(4)은 제1투과성 멤브레인(4.5) 접힌 투과성 멤브레인(4.4) 및 제2투과성 멤브레인(4.6)을 포함한다. 또한, 상기 압력 용기(1) 내에 외부 가스 채널(10)을 한정하는 형상부(1.8)가 제공되고 상기 외부 가스 채널(10)은 상기 압력 용기(1)의 상기 쉘과 형상부(1.8) 사이에 위치하며; 원주 방향 가스 채널(4.3)은 상기 형상부(1.8) 및 제1투과성 멤브레인(4.5), 격벽(2), 접힌 멤브레인(3) 및 접힌 투과성 멤브레인(4.4) 사이에 위치한다. 상기 가스 작업 공간(4) 내에서 혼돈된 흐름, 열 방사 및 전도로 인한 상기 작업 가스의 정렬되고 및 한정된 이동(12)을 보장하고 상기 작업 가스의 온도 변화를 최소화하기 위해, 그것은 미세 구조(4.1)로 채워진다. 이 미세 구조는 엔진 온도 범위에서 주기적인(cyclic) 온도 변화에 저항하는 물질로 구성되며 이 상기 온도 범위 내에서 충분한 탄성력(resilience)과 강도를 가지고 있다. 상기 미세 구조(4.1)는 그것의 전체 부피를 기준으로 99% 이상의 공극률을 가지며 밀도는 1 x 10-4에서 0.03 g cm-3이다. 상기 미세 구조(4.1)에서 개별 요소를 결합하는 균일성(Uniformity) 및 방법은 영구 변형이 없고 높은 서비스 수명으로 부피 변화(volumetric change)를 허용해야 한다. 상기 미세 구조(4.1)를 제조하기에 적합한 물질은 탄소, 세라믹 및 금속 마이크로 및 나노섬유, 에어로그라파이트(aerographite), 그라파이트 에어로젤 또는 전술한 물질 특성 조건을 충족시키는 기타 물질이다.
이 미세 구조(4.1)는 서로 이격된 메쉬(4.2)에 의해 강화될 수 있고, 상기 메쉬(4.2)는 상기 작업 단계(working phase) 동안 상기 가스 작업 공간(4)의 수치 변화(dimensional change) 방향에 수직으로 배향된다. 상기 메쉬(4.2)는 90° 회전된 "V" 또는 "W" 형상을 하는 링 내의 얽힌(intertwined) 섬유에 의해 형성된다. 상기 그물 형태의 섬유는 하나의 고리(ring)의 가장자리 또는 두 개의 고리의 사이에 납땜, 접착(gluing), 압착하거나 용접(welding) 전에 두 개의 고리 사이에 삽입하여 부착할 수 있다. 상기 고리 및 따라서 접힌 투과성 멤브레인(4.4)은 높은 탄성 및 피로 내구성(fatigue resistance)을 갖는 얇은 금속판으로 만들어진다; 이상적인 재료는 합금강(alloy steel) 또는 티타늄 합금이다. 상기 고리는 원주에 구멍(4.7)이 제공되어, 이들 링으로부터 조립된 접힌 투과성 멤브레인(4.4)이 작업 가스에 대한 투과성을 제공한다; 도 10 및 도 12 참조. 상기 메쉬(4.2) 사이의 공간은 미세 구조(4.1)로 채워진다. 상기 메쉬(4.2)의 목적은 가스 작업 공간(4)의 부피 변화 및 상기 작업 가스의 내부 운동(12) 모두에서 균일한 미세 구조(4.1)를 유지하는 것이다. 상기 가스 작업 공간(4) 내의 메쉬(4.2) 및 미세 구조(4.1)의 배열은 도 10 및 도 11에 도시되어 있다. 도 12는 접힌 투과성 멤브레인(4.4)의 에지의 실시 예의 상세도 "D"를 도시한다. 고온 응용의 경우, 상기 메쉬(4.2) 섬유는 탄소, 세라믹 또는 금속으로 만들어 질 수 있다.
상기 가스 작업 공간(4) 및 상기 유체 작업 공간(5) 모두의 설계는 그들을 구분하는 격벽(2)의 이동을 허용해야 한다. 상기　격벽(2)과 접힌 멤브레인(3)의 설계는 상기 유체 작업 공간(5)으로부터 상기 유체가 배출된 후에도 상기 가스 작업 공간(4) 내의 압력을 견디도록 설계된다. 상기 접힌 멤브레인(3)은 동시에 내부 가스 채널(10.1)에서 유동하는 상기 작업 가스 및 상기 유체 작업 공간(5) 내의 유압 유체(hydraulic liquid) 사이에서 열교환 표면(heat exchange surface)을 형성하며, 제2열 교환기를 형성한다. 상기 원주 방향 가스 채널(4.3)의 이 부분에서, 상기 작업 가스는 작업 가스와 접힌 멤브레인(3) 사이의 열교환을 최대화하도록 수행(conduct)될 것이다. 하나의 단계(one phase)에서(반대로 다른 하나에서)의 상기 작업 가스의 흐름은 공압 액추에이터(6)의 챔버로부터 내부 가스 채널(10.1)로, 그 다음 원주 방향 가스 채널(4.3)의 이 부분으로, 그 다음 투과성 멤브레인(4.5) 및 접힌 투과성 멤브레인(4.4)에서 상기 가스 작업 공간(4) 내로 그리고 열 전달 매체의 입구/출구(8.1)에 연결된 열 교환기(8)가 배치된 환열기(7)로 전달되고, 추가로 상기 작업 가스는 외부 가스 채널(10)을 통해 공압 액추에이터(6)의 일부분인 챔버(6.1)로 통과된다. 구조적으로 상기 가스 작업 공간(4)의 부피와 작업 가스가 위치하는 상기 열기관의 다른 부피 사이의 가능한 한 가장 좋은 비율을 보장하는 것이 필요하다.
도 3은 전기 가열 요소(8.2)를 포함하는 환열기(7)의 실시 예의 변형 예를 도시한다. 이 실시 예에서, 상기 전기 가열 요소(8.2)는 환열기(7)와 상기 가스 작업 공간 사이에 연결되고, 이는 의해 전압의 소스(9.2)에 연결된 제어 유닛(9)을 컨트롤하기 위하여 전기 와이어(9.1)에 전기적으로 연결된다. 상기 환열기(7)는 형상부(1.8)에 추가로 접하고(abut) 제2투과성 멤브레인(4.6)에 의해 가스 작업 공간(4)의 측면으로부터 분리되며, 여기서 상기 환열기(7)의 제2단부는 상기 외부 가스 채널(10)에 연결된다.
본 실시 예에서의 열기관의 기능은 다음과 같다. 상기 가스 작업 공간(4) 내에서 상기 작업 가스의 이동은 상기 가스 작업 공간(4)의 중심에서 상기 압력 용기(1)의 내부 쉘까지 연장되며 그 역(반대)도 성립한다. 상기 가스 작업 공간(4)을 채우는 것(filling)은 상기 작업 공간 내에서 작업 가스의 균일한 흐름을 보장하는 역할을 한하며, 상기 작업 가스의 흐름 방향의 변화(alternation)로 인하여 상기 가스 작업 공간(4)의 거의 전체 볼륨에서 작업 단계(working phase) 동안 이동하는 고온 영역(14)의 형성을 돕는다. 상기 작업 가스의 흐름 방향 및 속도는 열기관의 모든 부분에 따라 다르다. 상기 유체 작업 공간(5)에서 압력 증가 및 압축(compression) 요구가 있을 때, 상기 작업 가스는 공압 액추에이터(6)로부터 상기 외부 가스 채널(10)을 통하여 환열기(7) 및 열교환기(8)를 통하여, 상기 가스 작업 공간(4)의 내부 볼륨을 통하여 상기 원주 방향 가스 채널(4.3)로 흐른다. 이러한 방식으로, 상기 장치 내부의 작업 가스의 평균 온도가 증가하고, 상기 가스 작업 챔버(4)의 압력 및 팽창이 증가하는 동시에 유체 작업 공간에서 압축이 발생한다. 상기 유체 작업 공간의 압력 및 팽창을 감소시키기 위한 요구에 따라, 상기 작업 가스는 공압 액추에이터(6)로부터 상기 내부 가스 채널(10.1)을 통하여 상기 가스 작업 공간(4)의 벽에 배치된 원주 방향 가스 채널(4.3)으로 수행되고, 추가로 상기 가스 작업 공간(4)의 내부 볼륨을 통하여 다음 상기 열 교환기(8) 및 환열기(7)를 통과한다. 이는 상기 장치 내부의 평균 작업 가스 온도를 감소시키고, 상기 가스 작업 공간(4)에서 감압 및 압축이 발생하는 동시에 상기 액체 작업 공간에서 팽창이 발생한다. 상기 액체 작업 공간(5)은 실질적으로 동일한 작업 압력으로 상기 가스 작업 공간(4)의 팽창 및 압축에 반응하며, 상기 작업 공간(5)은 유체 작업 공간(4)의 팽창시 동일한 비율로 감소하고; 상기 작업 공간(5)은 상기 가스 작업 공간(4)의 압축시 동일한 비율로 증가한다. 상기 엔진은 상기 유체 작업 공간(5) 내의 압력 및 부피를 변화시킴으로써 작업을 수행한다. 작업 공간(4) 및 (5)의 부피의 합은 모든 작업 단계에서 실질적으로 동일하다. 다른 작업 단계(operating phase)의 엔진이 도 1과 2에 나와있다. 상기 엔진이 유체 작업 공간보다 낮은 온도에서 열 전달 매체(8.1)의 입구/출구에서 작동하는 경우에 및 상기 열 전달 매체가 상기 엔진으로부터 열을 제거하는 경우에 상기 팽창 및 압축 단계(phase)는 상기 작업 가스의 내부 유동의 방향에 대해 역전될(reversed) 것이다.
기술적 실행에서(technical practice) 내부 열 교환기를 구비한 본 발명의 압력 용기(1)는 환열기(7)로부터 외부 가스 채널(10)까지 상기 작업 가스의 출구(outlet)에서의 정상 온도(normal temperature)에 대해서만 견뎌야(resist) 한다.
압력 용기의 쉘에서 열교환기를 포함하는 열기관의 다른 실시 예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 상기 열기관의 이러한 실시 예는 도 1 및 도 2에 도시된 해결책과 상이하다. 상기 실시 예는 상기 압력 용기(1)의 디자인이 상이하며, 이는 반드시 고온에 견뎌야 한다. 상기 압력 용기(1)는 다음의 부품으로 구성된다. 중심부(1.2)는 뚜껑(1.1)과 링(1.5) 사이에 배치된다. 상기 중심부(1.2)는 링(1.5) 상에 지지되는 바닥부(1.3)와 인접한다. 상기 링은 분배 플레이트(1.6)를 통과하는 스터드(1.7)에 의해 상기 뚜껑(1.1)에 연결된다. 또한, 상기 뚜껑(1.1)과 압력 용기(1)의 중앙부(1.2) 그리고 또한 바닥부(1.3) 사이에 씰(1.4)이 제공된다.
열기관의 효율의 관점에서 볼 때, 상기 언급한 압력 용기(1)의 부분은 변하는 내부 압력에 견딜 수 있는 기계적 강도와 동시에 가능한 한 가장 높은 열 저항을 갖는 재료로 제조될 필요가 있다. 고온에 견디는 일반적인 물질은 고체 결정성(solid crystalline) 원자 결합을 가지고 있지만 그들은 어려움이 있는 경우에만 스트레스와 이완(relaxation)의 주기적인 영향을 견뎌낸다. 자연적인 결함이 있는 장소에서 이러한 하중은 증가하여 점차적으로 그러한 재료의 강도를 감소시킨다. 이러한 하중은 부품의 고르지 않은 가열에도 기인한다. 고온으로 예압된(loaded) 부품의 최적 설계는 그들이 일정한 압력에서 견디고 내부 장력으로 이완 상태(relaxation state)를 만들지 않는다. 이것은 그것을 예압(preloading)시킴으로써 상기 부품에 추가 압력을 가하는 방법으로만 달성할 수 있다. 이러한 예압은 상기 압력 용기(1)의 상기 부분들: 중심부(1.2), 링(1.5) 및 바닥부(1.3)에 도입되어야 한다. 이상적인 예압 재료는 고온에서도 높은 인장 응력(tensile stress)을 전달할 수 있는 탄소 섬유(carbon fibre)이다. 본 실시 예에서, 상기 압력 용기의 바닥부(1.3) 및 압력 용기(2)의 중심부(1.2)와 같은 압력 용기(1)의 상기 부분은 고온에서 높은 인장 응력 결정 재료 및 고온에서 높은 인장 응역 재료로서의 예압된(preloaded) 탄소 섬유의 복합체로 설계된다. 또한, 압력 용기(1)의 바닥부(1.3)의 재료는 또한 열 교환기로서의 그 내부 면의 기능과 관련하여, 특히 전자기 방사선(electromagnetic radiation)에 대해 가장 높은 열 전도성 또는 에너지 투과성을 가져야 한다. 상기 압력 용기의 바닥부(1.3)에 대한 이상적인 재료는 열전도율면에서 예를 들어, 결정성 실리콘 카바이드(SiC) 또는 그 변형물이다. 에너지 투과성 측면에서, 사파이어 글래스(Al2O3)는 압력 용기의 바닥부에 이상적인 재료이다.
상기 외부 기체 채널(10)에 인접한 압력 용기(1)의 쉘(shell)은 동시에 도 1 및 도 2의 변형 예뿐만 아니라 도 4 및 도 5의 변형 예에서의 열 교환기 및 열 환열기(heat recuperator)로서의 역할을 할 수 있으며, 이로써 열 교환기로서의 접힌 멤브레인(3)의 기능을 보완한다.
첨부 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 열기관의 개별 연결 부품은 씰(1.4)을 사용하여 밀봉된다. 상기 압력 용기(1)의 뚜껑(1.1)에는 서비스 뚜껑(6.2)의 형태의 공압 액추에이터(6)에 대한 접근이 제공된다. 자기 베어링(6.8)을 포함하는 공압 액추에이터(6)의 유지 보수가 필요없는 버전의 경우에, 높은 불투과성(impermeability)을 갖는 생산 중에 서비스 뚜껑(6.2) 상의 조인트 및 영구 조인트(permanent joint)를 형성하는 것이 가능하다.
가능한 최소한의 유압 손실 및 빠른 엔진 반응을 보장하기 위해, 상기 유체 채널(5.2)의 큰 횡단면이 바람직하다. 상기 유체 작업 공간(5) 내의 유체는 또한 냉각 매체로서 작용한다. 전력이 증가함에 따라, 상기 유체 작업 공간(5)에서의 유체 교환이 또한 증가하고, 또한 열기관으로부터의 열 방출도 증가한다. 상기 유체 작업 공간(5)에 대한 상기 유체 채널(5.2)의 연결 디자인에서, 유체 작업 공간(5) 내부에서 내부 유체의 일방향 원형 흐름(one-way circular flow)의 지지체를 제공하여 상기 유체 작업 공간(5) 내의 유체 교환 및 접힌 멤브레인(3)으로 또는 접힌 멤브레인으로부터 열 전달을 최대화하는 것이 바람직하다.
작업 가스 냉각을 위한 가장 넓은 면적(largest area)은 접힌 멤브레인(3) 뿐만 그 표면이다; 또한 그것의 작은 두께가 유리하다. 이러한 설계의 교환기에서, 팽창 단계가 완료될 때 그 공간에 결합된 작업 가스의 부피가 감소되고, 이는 가스 작업 공간 외부의 작업 가스의 최소 부피로 효율을 증가시키는 것을 돕는다. 접힌 멤브레인(3)은 기타 열교환 표면 및 구성요소를 보충하여 전체 표면 주위에 더 큰 유동을 제공할 수 있다.
출력 다이나믹(output dynamic), 평균 전력 및 피크 성능 요구(peak performance requirement)의 특정 할당과 관련하여 설계를 수정할 수 있다. 시스템의 개별 부품을 적절한 치수로 조정하면 필요한 유압 출력(5.1) 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 높은 동역학 및 효율을 요구할 때, 상기 장치는 넓은 열 전달 표면을 가진 열 교환기, 환열기(7)의 최적 열용량으로 설계될 수 있다. 상기 환열기(7)와 열교환 기는 압력 손실과 효율의 비율이 가장 높아야 한다. 상기 공압 액추에이터 (6)의 높은 출력 및 내부 및 외부 가스 채널(10.1 및 10)의 단면은 보다 큰 엔진 동역학을 제공할 수 있다. 높은 동력학을 위해서는 헬륨이 또한 바람직한 작업 가스이다.
도 1, 도 2, 도 4 및 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 기술된 두 열기관 변형체의 압력 용기 뚜껑(1.1)은 동일하다. 상이한 베어링을 갖는 변형된 공압 액추에이터(6)의 실시 예에 대한 세부 사항들이 도 6 및 도 8에 도시되어 있다. 상기 공압 액추에이터(6)의 이러한 배치로 인해, 상기 커버(1.1)에는 그 배치를 위한 공간이 제공된다. 이 공간은 서비스 뚜껑(6.2)으로 덮여 있다. 씰(1.4)은 서비스 뚜껑(6.2)과 뚜껑(1.1) 사이의 공간에 제공된다. 이 공간에는 전기 엔진의 스테이터(6.6)와 로터(6.5) 및 임펠러(6.3)가 배치된다. 상기 전기 엔진의 로터(6.5)는 자기 베어링(6.8) 및/또는 볼 베어링(6.7)에 저장된다. 상기　공압 액추에이터(6)는 챔버(6.1) 및 임펠러(6.3)를 포함한다. 상기 임펠러(6.3)는 판 스프링(6.4)을 통해 전기 엔진의 로터(6.5) 샤프트에 고정된다. 상기 임펠러(6.3)의 예가 도 9에 도시되어 있다. 이 실시 예의 임펠러(6b)는 로터(6.5) 상에 장착된 판 스프링(6.4)으로 구성되며, 이는 가스 정류기(6.12)에 의해 서로(reciprocally) 수용되는 블레이드(6.11)에 연결된다.
도 7은 공압 액추에이터(6)가 위치하는 압력 용기(1)의 뚜껑(1.1)을 통과하는 A-A 단면을 도시한다. A-A 단면에서, 액체 채널(5.2)은 격벽(1.9)에 의하여 분리되는 내부 가스 채널(10.1)과 외부 가스 채널(10) 사이의 상기 커버(1.1) 내에 있음이 명백하다. 압력 용기(1)의 뚜껑(1.1)의 공간 내부에는 상기 임펠러(6.3)가 배열된 공압 액추에이터(6)의 챔버(6.1)가 형성된다. 상기 뚜껑(1.1)의 공간에서, 상기 임펠러(6.3)를 편향시키는(deflect) 전자석(6.10)은 임펠러(6.3)의 블레이드 위에 위치한다. 압력 용기(1)의 뚜껑(1.1)의 중간에는 그 축에 상기 임펠러(6.3)의 축을 형성하는 전기 엔진의 로터(6.5)가 위치된다.
상기 공압 액추에이터(6)는 상기 작업 가스의 이동을 구동 및 제어한다. 이것은 전기 엔진의 로터(6.5)에 의해 구동된다. 전기 엔진 로터(6.5) 회전 속도는 상기 작업 가스의 운동 속도를 결정한다. 상기 작업 가스의 이동 방향(12)은 한 쌍의 내부 가스 채널(10.1) 및 외부 가스 채널(10)에 대한 임펠러(6.3)의 설정에 의해 결정된다. 상기 임펠러(6.3)의 설정 변경은 전기 엔진의 로터(6.5)에 대한 탄성 결합(elastic attachment)에 의해 가능해진다. 이러한 탄성 결합(resilient mounting)은 상기 임펠러(6.3)가 회전축에 평행한 방향으로 편향될 수 있게 한다. 이러한 편향(deflection)은 이상적이지만, 필수적이지는 않고, 판 스프링(6.4)에 의해 가능하다. 상기 로터(6.5)의 회전축 방향으로의 임펠러(6.3)의 편향은 전자석(6.10)에 의해 달성될 수 있지만, 상기 임펠러(6.3)를 전기 엔진의 로터(6.5)와 견고하게 결합시킴으로써 전자 제어 자기 베어링(6.8)에 의해 수행될 수 있다. 위치 센서(6.9)는 상기 임펠러(6.3)의 실제 위치를 측정하고 상기 임펠러(6.3)의 이동을 제어하기 위한 전자 제어 유닛(9)의 피드백 수단으로서 작용하며, 여기서 전자 제어 유닛(9)은 전기 와이어(9.2)에 의해 전기 엔진의 전자석(6.10), 자기 베어링(6.8) 및 스테이터(6.6)에 연결된다. 도 4 및 도 5에 따른 그 쉘 내에 열 교환기를 포함하는 열기관의 예시적인 실시 예에서, 상기 가스 작업 공간(4)의 입구(inlet )에서 원주 방향 가스 채널(4.3)에 바람직하게 제공되는 온도 센서/센서들(9.3)은 임펠러의 이동 및 상기 장치의 열 보호를 제어하는데 필요하다.
산업상 이용가능성
이 장치는 열에너지 소스가 있고 공압 펌프 및 밸브가 필요없는 공압 액추에이터의 동적으로 제어되는 공압/볼륨 소스로 사용할 수 있다. 유압 드라이브가 사용되는 곳이라면 어디에서나 사용할 수 있으며 가용 열원을 더 많이 사용하면서 보다 빠른 작동 및 더 높은 효율을 위해 바람직하다.
정기적인 주기적 위상 전환 모드에서, 상기 유압 출력이 2개의 단방향 밸브(unidirectional valve)로 보충되면(replenish), 상기 장치는 고압 펌프 역할을 할 수 있다. 열에너지가 충분하거나 전기 엔진, 내연 기관 등과 같이 정상적인 운동 에너지원을 사용할 수 없는 경우 상기 장치를 사용하여 기계적 일(mechanical work)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 태양 에너지를 기계적 일로 직접 전송할 수 있는 가능성이 크다. 기술적 실습에서 이 해법을 사용하면 역삼투법에 의한 해수 담수화(desalination)에서 에너지원으로서 폭넓게 적용될 수 있다.
1. 압력 용기(pressure vessel)
1.1 상기 압력 용기의 뚜껑(lid of the pressure vessel)
1.2 압력 용기의 중심부(middle part of the pressure vessel)
1.3 압력 용기의 바닥부(bottom of the pressure vessel)
1.4 씰링(sealing)
1.5 링(ring)
1.6 분배 플레이트(dispensing plate)
1.7 프리텐션 스터드(pretensioned studs)
1.8 형상부(shaped parts)
1.9 채널 격벽(channel partition)
2. 격벽(partition)
3. 접힌 멤브레인(folded membrane)
4. 가스 작업 공간(gas working space)
4.1 미세 구조(microstructure)
4.2 메쉬(mesh)
4.3 원주 방향 가스 채널(circumferential gas channels)
4.4 접힌 투과성 멤브레인(folded permeable membrane)
4.5 제1 투과성 멤브레인(first permeable membrane)
4.6 제2 투과성 멤브레인(second permeable membrane)
4.7 구멍(hole)
5. 유체 작업 공간(liquid working space)
5.1 유압 입구/출구(hydraulic inlet/outlet)
5.2 유체 체널(liquid channel)
6. 공압 액추에이터(pneumatic actuator)
6.1 챔버(chamber)
6.2 서비스 뚜껑(service lid)
6.3 임펠러(impeller)
6.4 판 스프링(flat spring)
6.5 전기 엔진의 로터(rotor of the electric engine)
6.6 전기 엔진의 스테이터(stator of the electric engine)
6.7 베어링(bearing)
6.8 자기 베어링(magnetic bearing)
6.9 위치 센서(position sensor)
6.10 전자석(electromagnet)
6.11 블레이드(blades)
6.12 가스 정류기(gas rectifiers)
7. 환열기(recuperator)
8. 열 교환기(heat exchanger)
8.1 열 전달 매체의 입구/출구(inlet/outlet of the heat transfer medium)
8.2 electric heating element
9. 전기 제어 유닛(electronic control unit)
9.1 전기 와이어(electrical wires)
9.2 전앗의 소스(source of electric voltage )
9.3 온도 센서(temperature sensor)
10. 외부 가스 채널(external gas channel)
10.1 내부 가스 채널(internal gas channel)
11. 복사 에너지 소스(source of radiant energy)
12. 작업 가스의 이동 방향(direction of movement of the working gas)
13. 내부 부품의 이동 방향(direction of movement of the inner parts)
14. 고온 구배 영역(high temperature gradient area)

Claims (8)

  1. 압력 용기(1), 뚜껑(1.1), 이동 가능한 격벽(2), 가스 작업 공간(4), 유체 작업 공간(5) 및 환열기(7)를 포함하는 가스 터빈 및 고압 펌프에 의하여 구동되는, 동적으로 제어 가능한 배출을 포함하는 열기관에 있어서, 상기 압력 용기(1)와 뚜껑(1.1) 사이에 씰(1.4)이 배치되고, 여기서 상기 압력 용기(1)의 내부 공간에서 상기 격벽(2)은 상기 뚜껑(1.1)에 추가로 부착된 접힌 멤브레인(3)에 이동 가능하게 부착되고, 여기서 상기 격벽(2)은 상기 압력 용기(1)의 내부 공간을 가스 작업 공간(4)과 유체 작업 공간(5)으로 분할하고, 여기서 상기 가스 작업 공간(4)은 그것의 넓은 영역을 차지하고, 여기서 상기 가스 작업 공간(4)은 상기 제1격벽(first partition)의 영역에서 접힌 투과성 멤브레인(4.4)에 의해 둘러싸이고, 형상부(1.8)는 상기 압력 용기 내부에 배치되고, 이는 상기 압력 용기(1)의 쉘 및 상기 형상부(1.8) 사이에서 유도되는 외부 가스 채널(10)을 한정하고, 원주 방향 가스 채널(4.3)은 상기 형상부(1.8) 및 상기 접힌 멤브레인(3) 사이 그리고 추가로 제1투과성 멤브레인(4.5) 및 상기 격벽(2) 사이에 위치하며, 여기서 상기 가스 작업 공간(4)은 그것의 부피의 99%보다 큰 다공성(porosity)을 갖는 고체 물질로 제조된 미세 구조(4.1)로 채워지고, 환열기(7)가 연결된 제2투과성 멤브레인(4.6)으로 둘러싸여 있으며, 그 공간에는 열 전달 매체의 입구/출구(8.1)에 연결된 열교환 기(8)가 배치되며, 여기서 상기 환열기(7)는 상기 형상부(1.8)에 의해 추가로 둘러싸이고, 이는 상기 제2투과성 멤브레인(4.6)에 의해 상기 가스 작업 공간(4)으로부터 분리되고, 상기 외부 가스 채널(10)은 상기 가스 작업 공간(4)과 그것의 연결 반대편에서 상기 환열기(7) 공간으로 공급되고, 상기 외부 가스 채널은 원주 방향 가스 채널(4.3)에 연결된 내부 가스 채널(10.1)에 추가로 공급되는 공압 액추에이터(6) 챔버(6.1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공압 액추에이터(6)는 전기 엔진의 스테이터(6.6) 및 로터(6.5) 및 블레이드(6.11) 및 가스 정류기(6.12)가 제공되는 임펠러(6.3)가 배치된 챔버(6.1)를 포함하고, 여기서 상기 임펠러(6.3)는 판 스프링(6.4)에 의해 상기 전기 엔진의 로터(6.5)의 샤프트에 연결되며, 상기 전기 엔진의 로터(6.5)는 자기 베어링(6.8) 또는 베어링(6.7) 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 열기관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압력 용기(1)의 쉘은 뚜껑(1.1)과 바닥부(1.3) 사이에 배치되는 중심부(1.2)를 구성하고, 상기 바닥부(1.3)는 분배 플레이트(1.6) 상에 배치된 링(1.5)과 인접하고, 상기 분배 플레이트(1.6)는 스터드(1.7)에 의해 상기 뚜껑(1.1)에 연결되고 상기 뚜껑(1.1), 중심부(1.2) 및 바닥부(1.3) 사이에 씰링(1.4)이 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 열기관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미세 구조(4.1)는 1 x 10-4에서 0,03 g cm-3의 밀도로 그의 전체 부피를 기준으로 99% 이상의 다공성(porosity)을 갖는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 열기관.
  5. 제1항 및 제4항에 있어서, 상기 미세 구조(4.1)는 탄소, 세라믹 및 금속 마이크로섬유(microfiber)와 나노 섬유(Nano fibre), 에어로그라파이트(aerographite) 또는 그라파이트 에어로젤(graphite aerogel)로 구성되는 것을 특징으로 하는 열기관.
  6. 제1항에 있어서, 상기 접힌 멤브레인(3)은 가스에 대해 불투과성(impermeable)인 것을 특징으로 하는 열기관.
  7. 제1항에 있어서, 상기 미세 구조(4.1)는 서로 이격되어 배치된 메쉬(4.2) 사이에 배치되며, 상기 메쉬 및 상기 격벽의 방향 벡터(motion vector)에 수직인 평면에 배치되고, 이는 상기 접힌 멤브레인(4.4)의 주름(fold)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열기관.
  8. 제7항에 있어서, 상기 메쉬(4.2)는 탄소, 세라믹 또는 금속 섬유로 구성되며, 그 평면에서 상기 메쉬 및 상기 메쉬 섬유의 상호 거리가 상기 미세 구조(4.1) 구성 요소의 평균 거리의 100배 내지 10,000배의 범위인 것을 특징으로 하는 열기관.

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