KR20240131322A

KR20240131322A - 부력 활용 장치

Info

Publication number: KR20240131322A
Application number: KR1020247016922A
Authority: KR
Inventors: 토마스 울리히
Original assignee: 토마스 울리히
Priority date: 2021-10-31
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-08-30
Also published as: CA3236609A1; WO2023083640A1; JP2024539859A; US20240328399A1; EP4423387A1; WO2023073223A1; EP4423388A1; MX2024004969A; AU2022374441A1

Abstract

본 발명은 운동 부력 에너지 및/또는 위치 에너지를 전기 및/또는 기계적 에너지로 변환하는 부력 활용 장치, 온도 장벽 장치, 및 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 유체 내에서 부력체의 주기적인 상승 및 하강을 활용하여 전기 에너지를 제공한다.

Description

부력 활용 장치

본 발명은 운동 부력 에너지 및/또는 위치 에너지를 전기 및/또는 기계적 에너지로 변환하는 장치, 온도 장벽 장치, 및 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 관한 것이다.

적어도 대부분 중공인 부력체의 부력 에너지를 활용하는 것을 목적으로 하는 복수의 장치들이 선행 기술에 공지되어 있다. 이러한 장치는 부력 발전소 라고도 한다.

예를 들어, DE8510493U1은 구형 부력체들이 물이 채워진 용기에서 공기가 채워진 용기로 교대로 이동하는 장치를 개시한다. 구형 부력체들은 체인에 의해 서로 연결된다. 이동은 발전기에 연결된 바퀴를 구동한다. 이 시스템의 단점은 밀봉 부재가 물이 빠져나가는 것을 막을 수 없어 필연적으로 손실이 발생한다는 점이다.

DE2557746A1에 유사한 원리가 개시되어 있다. 여기서, 부력체들은 바퀴를 통해 발전기를 구동하는 컨베이어 벨트 상에 배열된다. 부력체들이 정수압에 대항하여 물로 채워진 용기에 들어갈 수 있도록 하기 위해, 장치는 물 수집 용기로부터 증가된 압력으로 가압 된 워터 챔버 쪽으로 물을 펌핑하는 펌프 시스템을 포함한다. 이 시스템의 단점은 펌프 시스템이 에너지를 소비하여 장치의 효율을 떨어뜨린다는 점이다.

DE102016010718A1, DE9300674U1, DE202010011168U1, DE102016009649A1, DE102009037452A1, DE4029150A1, DE0022693A1, DE2606160A는 동일한 작동 원리에 따른 유사한 장치들을 추가로 개시한다. 이러한 모든 장치들은 부력체들이 요소 (체인, 코드 등)를 통해 서로 기계적으로 연결된다는 공통 된 특징을 공유한다. 이로 인해, 연결 요소 (체인, 로프, 컨베이어 벨트 등)의 더 뒤쪽에 장착 된 부력체의 마찰력 / 관성력이 더 앞에 장착 된 부력체로 전달되어 효율이 떨어진다.

WO2003058058A1 / DE202004009597U1는 부유물의 부력 에너지를 활용하기 위한 장치를 개시한다. 부유물은 회전 가능하게 장착 된 운송 장치에 부착되어 상부 및 하부 전환점을 중심으로 회전한다. 또한, 장치는 수위가 다른 두 개의 수조들을 연결하는 하부 영역의 락 어셈블리(lock assembly)를 포함한다. 부유물은 체인을 따라 움직이는데, 충분한 밀봉을 위해 체인이 락(lock)을 통해 어떻게 안내되어야 하는지가 불명확하다. 또한, 락이 작동하려면 에너지가 필요하므로, 시스템의 효율이 떨어진다.

DE102017007471A1은 액체로 채워진 용기 내에서 부력을 활용한 에너지 생성 장치를 개시하며, 여기서 부력체들은 체인에 의해 서로 연결되고, 2개의 락들을 통해 안내된다. 여기에서도, 또한, 락들을 통해 체인들이 어떻게 안내되는지 불명확하며, 락들의 작동은 장치의 효율을 떨어뜨린다.

US20150267677A1은 부력 및 중력을 활용한 영구 에너지 생성 장치를 개시한다. 장치는 서로 연결 된 기체로 채워진 부력체들을 사용한다. 기체로 채워진 부력체들은 아래에서 락을 통해 액체로 채워진 공간으로 들어가 부력을 경험한다. 여기에서도, 또한, 기체로 채워 진 부력체들은 서로 연결되어 있어 추가적 마찰 손실이 발생하여 장치의 효율이 떨어진다.

DE9404819U1은 부력 및 중력을 활용하여 에너지를 제공하는 중력 모터를 개시한다. 파워 피스톤은 튜브 시스템 내에서 원을 그리면서 순환하고, 매질(공기, 물)과 혼합되는 것을 방지하기 위한 2개의 락들을 통과한다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 파워 피스톤은 가이드 레일을 따라 이동하나, 가이드 레일은 락 영역에서 중단 된다(interrupted). 락들을 작동하는 것 외에도, 락 영역에서 가이드 레일이 닫히도록 하는 회전 가능한 가이드 부품을 이동하는 데에도 에너지가 소비된다. 또 다른 단점은 회전 가능한 가이드 부품들과 같은 추가적인 기계적 구성요소에 의해 장치의 기계적 민감도가 증가한다는 것이다.

DE102014000866A1은 가변 부피의 기밀 중공체들 (풍선)이 무한 견인 수단에 의해 액체 용기를 통해 연속적으로 안내 되는, 에너지 생성을 위해 제어 된 부력 시스템을 개시한다. 풍선은 호스를 통해 유동적으로 연결되어 있어, 풍선 내의 기체 내용물은 이전 풍선을 압축 하는 영역을 통과할 때 후속 기체풍선에 눌려 진다. 여기서도 부력체들이 서로 연결되어 있다는 단점이 있다. 또한, 부력체들은 기계적으로 압축되어야 하므로 효율이 극도로 떨어진다.

부력체들이 서로 기계적으로 연결되지 않는 장치도 알려져 있다. 예를 들어, DE102010015667A1, DE102013009842A1, DE102011003099A1 및 DE102010051596A1은 부력체들이 튜브 또는 챔버 시스템 내에서 안내되는 장치를 개시한다. 그러나, 여기서 단점은, 기계적 커플링의 부재로 부력체들이 락 시스템을 통해 개별적으로 안내되어야 하므로, 효율성이 떨어진다는 것이다.

DE102006007738A1은 물질들 (부력체들)의 운동 에너지를 회전 에너지로 변환하여 발전기를 구동하는 방법을 개시한다. 여기에서도, 부력체들은 서로 연결되지 않아 그에 따라 제어되어야 하는 락 시스템을 통해 안내 되어야 하므로 효율이 떨어진다.

KR1020020030848A은 부력 및 중력을 활용한 에너지 생성 장치를 개시한다. 서로 연결되지 않은 부력체들은 밀도가 다른 유체들을 통해 교대로 안내된다. 밀도가 커서 무거운 유체는 중력에 의해 가벼운 유체에 대해 밀려 가벼운 유체가 무거운 유체보다 더 큰 수위를 가질 수 있도록 해야 한다. 중력 에 의해 가라앉은 부력체들은 앞쪽 부력체를 무거운 유체에 밀어 넣은 다음, 가벼운 유체 속으로 들어가고, 그곳에서 부력에 의해 위로 떠오른다. 단점은 부력체들의 이동으로 인해 필연적으로 유체들이 혼합되어야 하므로 효율이 떨어진다는 점이다.

또한, 선행기술에 전기 에너지 생성을 위한 모세관 현상의 사용을 제안하는 공보도 공지되어 있다. 예를 들어, AT520053A1 및 JPS5813172A 각각은, 직렬로 연결 된(series-connected) 수조들 및 모세관 요소의 시스템을 개시하며, 여기서 액체는 모세관 현상의 도움으로 낮은 수조에서 높은 수조로 운반되도록 의도된다. 그러나 두 시스템들의 단점은 모세관 흐름이 상부 수조에서 중단되어 끊어진다는 점이다.

DE10257375A1은 모세관력을 활용하는 시스템도 개시하지만, 모세관에 수용 된 물을 기화 시키기 위해 모세관을 둘러싸는 요소가 가열된다는 것도 개시한다. 또한, 물은 모세관을 통과하기 전에 가열된다. 시스템의 단점은 모세관 내 기체 형성이 발생하여 모세관 흐름이 중단된다는 점이다. 또한, 가열 및 기화에 필요한 에너지가 어떻게 제공되는지에 대한 설명이 없다.

과제

따라서 본 발명의 과제는 부력체들의 기계적 결합이 생략되고 부력 에너지를 활용하기 위한 부력 활용 장치를 제공하는 것이고, 동시에 가동 가능한 기계적 요소 (예를 들어, 플랩들, 도어들)을 갖는 락 시스템을 제공하는 것이다. 장치는 선행기술에 개시된 부력 발전소보다 더 큰 효율을 갖게 될 것이다.

해결방안

문제는 독립 특허 청구항들에 따른 주제와 방법에 의해 해결된다. 추가로 유리한 실시예들은 종속 청구항들, 발명의 설명, 및 예시적인 실시예들에서 찾아볼 수 있다.

일반적인 이점

본 발명에 따른 부력체들은 서로 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 하류 연결 요소들 및 하류 부력체들의 마찰력 / 관성력은 상류 연결 요소들 및 부력체들로 전혀 전달될 수 없으며, 이는 효율을 증가시킨다.

또한, 본 발명에 따른 락 시스템으로 인해 연결 요소가 전혀 필요하지 않다. 이는 전체 부품 수가 감소되어 무게가 감소되고 마모가 적다는 것을 의미한다.

모세관 흡입 기화 장치는 태양 에너지를 사용할 수 있어서, 여기에 개시된 시스템은 모세관 흐름이 중단되지 않는다는 이점이 있다.

발명의 설명 및 예시적인 실시예들에서 추가적 이점이 발견될 수 있다.

본 발명은 운동 부력 에너지 및 위치 에너지를 사용하는 것을 목적으로 하는 부력 활용 장치를 포함한다.

에너지는 일반적으로 작업을 수행하거나, 열을 발산하거나, 또는 빛을 발산하는 능력으로 이해된다. 무언가를 움직이거나, 가속하거나, 들어 올리거나, 가열하거나, 또는 조명 하려면 에너지가 필요하다. 기계적 일(W)은 힘(F)과 일을 수행하는 물체가 이동한 거리(s)의 곱이다.

본 발명에 따르면, 운동 부력 에너지는 따라서 물체의 정적 부력 에너지를 활용하여 기계적 일을 수행하는 능력으로 이해된다. 정적 부력은 액체 또는 기체 안에서 물체에 가해지는 중력에 반대되는 힘이다. 정적 부력은 주변 매질의 변위에 의해 발생한다. 부력이 생기는 이유는 정수압이 고려 중인 위치의 높이에 의존하기 때문이다. 물체의 위 쪽보다 아래 쪽에 더 높은 압력이 작용한다. 정적 부력은 유체의 대응 변위의 무게에 대응된다. 이 관계는 아르키메데스의 원리로 알려져 있다. 따라서 부력(FA)은 밀도(p)를 가진 유체에 잠긴 물체에 작용한다. 이것은 물체에 의해 변위 된 유체의 부피(V), 밀도(p), 및 중력 가속도(g)의 곱으로 계산 된다. 따라서 변위 된 유체의 무게(FG) 및 부력(FA)은 FA/G = g * p * V를 사용하여 계산할 수 있다. 이 공식은 유체의 밀도가 높을수록 그리고 물체에 의해 변위 된 부피가 클수록 부력이 더 크다는 것을 나타낸다. 그러나 물체의 무게는 부력에 반대되므로, 최대 부력을 위해서는 본질적으로 속이 빈 물체가 선호되어, 물체는 유체보다 평균 밀도가 작다.

위치 에너지(potential energy) 또는 위치 에너지(positional energy)는 중력으로 인해 가속되는 방향으로 일을 수행할 수 있게 한다. 지구의 중력장에서 위치 에너지는 고도에 따라 물체가 갖는 에너지이다. 물체가 20미터 높이에서 떨어지면 10미터 높이에서 떨어질 때보다 2배의 일을 수행할 수 있다. 떨어지는 동안 위치 에너지는 운동 에너지나 다른 형태의 에너지로 변환되어 감소한다. 수력 발전소에서는 저수지에 담긴 물의 위치 에너지는 전기 에너지로 변환할 수 있다.

본 발명에 따르면, 물체의 위치 에너지 및/또는 운동 부력 에너지는 전기 에너지 및/또는 기계적 에너지로 변환될 수 있다. 예를 들어, 부력체의 부력 또는 낙하는 기계적 결합을 통해 다른 물체를 움직이게 하는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 운동 부력 에너지를 기계적 및/또는 전기 에너지로 변환하도록 구성 된 컨버터를 포함한다. 컨버터는 전기 에너지를 제공하는 발전기로 설계될 수 있다. 기계적 요소 및 발전기를 결합하는 다양한 실시예들은 당업자에게 공지되어 있다.

본 발명에 따르면, 물체는 유체 내에서 움직일 수 있는 적어도 하나의 부력체를 포함한다. 유체는 액체(예를 들어, 물, 오일)일 수도 있고, 또는 기체(예를 들어, 공기, 수소, 헬륨)일 수도 있다.

이러한 맥락에서, 공간은 아래에 정의된 매질을 포함하는 영역으로 이해된다. 공간은 정의된 영역(예를 들어, 컨테이너)일 수 있다. 공간은 정의되지 않은 영역(예를 들어, 바다 또는 호수와 같은 해양 또는 변연계(limnic system))일 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 유체를 포함하는 제1 매질로 채워진 적어도 하나의 제1 공간 및 유체를 포함하는 제2 매질로 채워진 적어도 하나의 제2 공간을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 매질은 제2 매질보다 더 큰 평균 밀도를 갖고, 제2 매질은 부력체보다 더 작은 평균 밀도를 갖는다.

부력 활용 장치의 일 실시예에 따르면, 부력 활용 장치의 목적은 운동 부력 에너지 및 위치 에너지를 활용하여 기계적 및/또는 전기 에너지로 변환하는 것이며, 장치는 제1 매질로 채워진 제1 공간, 제2 매질로 채워진 제2 공간, 적어도 하나의 부력체 및 원주 가이드를 구성요소로서 포함하고, 적어도 하나의 부력체의 이동은 원주 가이드를 따라 발생하고, 제1 매질의 평균 밀도는 제2 매질의 평균 밀도보다 크고, 원주 가이드는 제1 공간 및 제2 공간을 통과하고, 원주 가이드는 무한 레일 시스템을 포함하고, 제1 공간 및 제2 공간은 락 시스템에 의해 적어도 하나의 지점에서 서로 분리되고, 락 시스템은 영구적인 개구를 갖고, 락 시스템의 개구는 부력체의 가장 작은 측방향의 단면에 정확히 맞도록 설계된다.

특히, 본 발명은 운동 부력 에너지 및/또는 위치 에너지를 기계적 및/또는 전기 에너지로 활용 및 변환하기 위한 부력 활용 장치에 관한 것으로서, 장치는 제1 매질로 채워진 제1 공간, 제2 매질로 채워진 제2 공간, 적어도 하나의 부력체 및 원주 가이드를 구성요소로서 포함하고, 적어도 하나의 부력체의 이동은 원주 가이드를 따라 발생하고, 원주 가이드는 제1 공간 및 제2 공간을 통과하고, 원주 가이드는 바람직하게는 무한 레일 시스템을 포함하고, 제1 공간 및 제2 공간은 락 시스템에 의해 적어도 하나의 지점에서 서로 분리되고, 락 시스템은 영구적인 개구를 갖고, 본 명세서에 개시 된 부력체의 평균 밀도 및 그 부력은 온도에 의존하도록 설계되고, 제1 매질 및 제2 매질의 온도는 상이하고, 장치는 외부 에너지원이 제1 및/또는 제2 공간에서 온도 변화를 유도하도록 구성되고, 제1 공간에는 제1 매질이 배열되고, 제2 공간에는 제2 매질이 배열된다.

일 실시예에 있어서, 제1 매질의 온도는 제2 매질의 온도와 적어도 5K, 바람직하게는 적어도 10K, 특히 바람직하게는 적어도 15K, 매우 특히 바람직하게는 적어도 20K, 더 바람직하게는 적어도 25K, 그리고 더 구체적으로 바람직하게는 30K만큼 차이 난다.

온도 변화는 제1 및/또는 제2 공간으로부터 열을 공급하거나 방출시켜 달성될 수 있다. 온도 변화는 바람직하게는 외부 에너지원에 의해 유도된다. 외부 에너지원은 열 에너지를 발산하는 장치 (예를 들어, 연소 시스템, 태양열 패널)일 수 있다. 지열 공정(geothermal process)도 에너지원에 포함될 수 있다.

특히, 제1 매질의 평균 밀도는 또한 제2 매질의 평균 밀도보다 작을 수 있으며, 밀도는 후술하는 열 교환기에 의해 유도된다. 예를 들어, 아래에 개시 된 매질이 동일한 화학 구조를 갖고 열 교환기가 제1 매질에서 온도 변화를 야기하나, 제2 매질에서는 온도 변화를 야기하지 않는 경우, 제1 매질의 밀도는 제2 매질에 비해 감소한다. 특히, 부력체의 구성에 따른 제1 및/또는 제2 공간의 온도 변화는 부력체가 위치하는 공간에 따라 부력체의 밀도 및 부력의 변화를 야기한다. 부력체의 평균 밀도 및 부력은 부력체가 어느 공간을 통과하는 지에 의존한다. 이에 대해 아래에서 자세히 설명한다.

특히 바람직한 실시예에 따르면, 부력체의 평균 밀도는 온도가 증가함에 따라 감소 또는 증가한다. 바람직하게는, 부력체의 평균 밀도는 본 명세서에 개시된 바와 같이 감소한다.

특히 바람직한 실시예에서, 두 공간들 모두 원주 가이드를 포함한다. 이는 부력체의 움직임을 3차원 중 2차원으로 제한하는 한계로 이해된다. 무한 레일 시스템을 따른 부력체의 이동 및 측면 확장은 무한 레일 시스템에 의해 제한되는 것이 특히 바람직하다.

본질적으로, 부력체는 부력에 의해 지구의 중심으로부터 멀어지고 낙하에 의해 지구의 중심을 향해 이동할 수 있다. 상향 이동이 하향 이동, 즉, 지구의 중심을 향하는 방향으로 또는 그 반대로 변경되도록 하려면 적어도 2개의 역전점들이 필요하며, 본 발명은 상부 역전점 및 하부 역전점을 포함한다. 본 발명에 따르면, 부력체의 상향 이동에서 부력체의 하향 이동으로의 변화는 상부 역전점에서 일어난다. 부력체의 하향 이동에서 상향 이동으로의 변화는 하부 역전점에서 일어난다.

일 실시예에 따르면, 무한 레일 시스템은 하부 역전점 및 상부 역전점을 포함한다. 특히, 역전점들 중 적어도 하나, 바람직하게는 상부 역전점은, 이 지점에서 무한 레일 시스템이 중단되거나 개방될 수 있도록 설계된다. 부력체들을 무한 레일 시스템으로부터 제거하고 삽입하는 것은 이러한 방식으로 유리하게 달성 될 수 있다.

장치의 방향은 데카르트 좌표계 내에서 설명될 수 있다. 음의 z-축은 지구의 중심을 가리키고, 양의 z-축은 반대 방향을 가리킨다. "하부" 또는 "아래" 및 "상부" 또는 "위"는 데카르트 좌표계 내에서 물체의 공간적 위치를 나타내며, 여기서 하부 위치는 상부 위치보다 지구의 중심에 더 가깝다.

원주 가이드는 제1 및 제2 공간들을 통과하며 적어도 하나의 부력체가 그 안에서 안내될 수 있도록 설계 된 무한 레일 시스템을 포함한다. 무한 레일 시스템은 적어도 두 개의 평행 가이드 레일들이 제1 및 제2 공간들을 통해 z-축과 평행하게 연장되도록 설계될 수 있다. 제1 공간에서 제2 공간으로 전환될 때 및 제2 공간에서 제1 공간으로 전환될 때 제1 가이드 레일들의 곡률이 필요하며, 이것이 바로 이 영역의 가이드 레일들이 z-축과 평행하게 작동하지 않는 이유이다. 가이드 레일들의 곡률은 부력체가 최소한의 마찰로 안내될 수 있도록 설계되어야 한다. 무한 레일 시스템을 사용하면 부력체가 이를 통해 지속적으로 이동할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 무한 레일 시스템은 움직이는 부품들을 포함하지 않아 마모가 없다.

특히, 무한 레일 시스템은 무한 레일 시스템을 따라 부력체의 움직임의 측면 확장이 제한되도록 설계 된다. 제1 및 제2 공간을 통해 정의된 경로를 따라 부력체를 이동은 이러한 방식으로 유리하게 달성될 수 있다. 무한 레일 시스템은 부력체가 제1 및/또는 제2 공간을 직선으로 이동하는 대신, 예를 들어, 물결 모양의 패턴(water-like pattern)을 따르도록 설계될 수 있다. 제1 및/또는 제2 공간에서의 부력체의 체류 시간의 증가는 부력체가 제1 및/또는 제2 매질로부터 또는 제1 및/또는 제2 매질로 열을 흡수 및/또는 방출하는 데 소비하는 시간을 연장하는 방식으로 유리하게 달성될 수 있다.

부력체는 마찰을 최소화하면서 무한 레일 시스템 내에서 이동할 수 있도록 마찰-저감 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마찰-저감 요소는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 저-마찰 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 마찰-저감 요소는 가이드 레일과 접촉하고 부력체가 최소한의 마찰로 무한 레일 시스템을 통해 미끄러지는 것을 유리하게 한다. 또한, 무한 레일 시스템은 또한 무한 레일 시스템으로부터 중공체를 이격시키고 마찰을 감소시키는 휠 또는 롤러 요소들을 포함할 수 있다.

제1 및 제2 공간들은 적어도 하나의 추가적인 제3 공간 (또한: 천이 영역)에 의해 서로 분리될 수 있고, 제3 공간은 락 시스템을 포함한다. 락 시스템은 하부 역전점에 위치하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 락 시스템의 개구는 부력체의 가장 작은 측방향의 단면에 정확히 맞도록 설계된다.

바람직한 실시예에 따르면, 락 시스템은 제1 공간과 제2 공간 사이의 하부 역전점에 배열된다. 락 시스템은 상부 역전점 또는 상부 및 하부 역전점들 모두에 배열될 수도 있다. 상부 및 하부 역전점들에 형성되는 후술되는 온도 장벽이 이러한 방식으로 유리하게 달성될 수 있고, 이에 따라 제1 및 제2 공간에서 매질의 온도 균등화를 방지하여 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 부력체는 제1 공간으로부터 제2 공간으로 교대로 이동하고, 적어도 제1 공간과 제2 공간 사이의 전이 영역에서, 락 시스템을 통해, 특히 본 명세서에 설명된 바와 같은 락 시스템에 의해 둘러싸인 개구를 통해 이동한다.

일 실시예에 따르면, 락 시스템은 부력체가 이를 통해 연속적으로 이동할 수 있도록 설계 된다. 연속적인 이동은 락 도어들(lock doors)과 같은 움직이는 부품들을 사용하지 않는 락 시스템을 통한 부력체들의 중단 없는 이동이라는 이점이 있다.

본 발명의 추가적인 실시예에 있어서, 락 시스템은 예를 들어, 립 실(lip seal)로 설계될 수 있는 적어도 하나의 밀봉 요소를 포함한다. 본 발명에 따르면, 밀봉 요소는 부력체의 가장 작은 측방향의 단면에 정확히 맞도록 설계 되어, 부력체를 정확하게 통과할 수 있다. 부력체가 원통형인 경우, 가장 작은 측방향의 단면은 원통의 측면에 수직이다. 부력체가 구형인 경우, 가장 작은 측방향의 단면은 구형의 가장 큰 직경 (또는 가장 큰 원)에 대응한다.

"정확히 맞는다"는 것은 부력체가 방해 없이 락을 통과할 수 있고, 유리하게는 부력체가 락 내에서 걸리지 않는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

여러 밀봉 요소들을 직렬로 연결할 수도 있다. 당업자는 밀봉 요소들의 수, 이들의 치수 및 이들의 재질을 이들을 통한 부력체들의 저-마찰 이동이 가능하게 하는 방식으로 선택한다.

본 발명에 따르면, 무한 레일 시스템은 적어도 하나의 밀봉 요소에 의해 물리적 의미에서 중단된다. 그러나, 가이드 레일들도 밀봉 요소들 사이에 배열되고 부력체의 연속적인 움직임이 이를 통해 발생하기 때문에 "불연속 레일 시스템"이라는 용어가 더 적절하지만, 무한 레일 시스템은 계속해서 그렇게 지칭 될 수 있다.

선행기술에서 설명된 시스템들과 달리, 락 시스템은 영구적인 개구를 가지며, 이는 제1 및 제2 공간들이 게이트들 또는 플랩들을 갖는 락 시스템에 의해 분리되지 않음을 의미한다. 본 발명에 따른 장치는 영구적인 개구 및 가동 가능한 기계 부품들을 갖는 락 시스템의 부재로 저-마모 작동이라는 이점이 있다. 또한, 락을 여닫는 데 에너지를 소비할 필요가 없다.

부력체가 유체 내에서 상승하려면 평균 비중 밀도가 부력체를 둘러싼 유체의 비중 밀도보다 작아야 한다. 부력체는 중공체로서 설계되는 것이 바람직하며, 중공체의 재질은 금속 (예를 들어, 알루미늄, 스테인리스강), 바람직하게는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 유리, 유기 물질 (예를 들어, 목재), 또는 반-합성 플라스틱과 같은 열가소성 물질을 포함할 수 있다. 또한, 중공체의 재질은 유리 섬유 강화 플라스틱들(GFRPs)을 포함할 수도 있다.

부력체는 열에너지를 쉽게 흡수 및 방출할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 부력체의 평균 밀도 및 그에 따른 부력은 온도 변화에 의존한다. 이를 위해, 부력체는 온도-가변 매질 및/또는 공간 팽창이 온도 변화에 의존하는 기술 요소를 포함한다. 부피, 평균 밀도 및 그에 따른 부력체의 부력은 공간 팽창의 가변성에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 따르면, "온도 변화"는 온도의 감소 및 바람직하게는 온도의 상승을 의미하는 것으로 이해된다.

중공체의 내부는 팽창이 중공체의 평균 밀도에 영향을 미치는 기체 및/또는 폴리머를 온도 가변 매질로 포함할 수 있다. 예를 들어, 유체의 온도에 따라 팽창을 변화시키는 기체를 사용할 수 있다. 중공체는 적어도 부분적으로 가요성이 있으며, 따라서 기체의 팽창으로 인해 부력체의 부피가 증가하고, 이에 따라 그 부력이 유발 된다.

특히, 부력체의 평균 밀도는 기체 및/또는 폴리머의 팽창에 의해 영향을 받을 수 있고, 기체 및/또는 폴리머의 팽창은 제1 및/또는 제2 공간에서의 온도 변화에 의존한다. 온도 변화는 제1 또는 제2 공간에 포함된 매질을 더 차갑게 하거나, 또는, 바람직하게는 더 따뜻하게 만든다. 따라서 부력체는 따뜻한 공간에서 열을 흡수하고 더 차가운 공간에서 다시 방출할 수 있다. 부력 컨테이너 부피가 감소되면 부력이 감소할 수 있고, 부피가 증가하면 부력을 증가할 수 있다. 여기서 매질의 워머를 포함하는 공간은 "따뜻한 공간"으로도 지칭될 수 있음을 이해해야 한다.

유리한 설계에 따르면, 부력체는 열에 의해 그 부피가 감소하므로, 따뜻한 공간에서 아래쪽으로 이동한다. 따라서 부력은 부력체를 둘러싼 따뜻한 매질과 부력체의 더 작은 부피에 의해 감소된다. 그 결과 아래쪽 무게가 부력보다 커진다. 이는 부력체의 하향 이동을 돕는 이점이 있다. 더 차가운 공간에서 더 큰 부력체의 부피는 상향 이동을 돕고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

바람직한 실시예는 부력체가 가열되면 팽창하여 따뜻한 공간에서 상방으로 이동하는 것을 제공한다. 바람직하게는, 부력체를 형성하는 물질은 더 큰 부력체의 부피에 따른 부력 증가가 더 따뜻한 매질에 의한 부력 감소 효과보다 크도록 선택된다.

일 실시예에 있어서, 부력체는 중공체로서 설계되고, 그 중심에는 중공체의 내부를 포함하는 적어도 하나의 승강 실린더가 배열된다. 승강 실린더는 승강 실린더의 종축 방향으로 중공체에 대해 앞뒤로 움직일 수 있으며, 여기서 움직임은 내부에 포함된 온도-가변 매질의 온도-의존적 팽창에 의해 야기된다. 부력체의 이러한 유형의 실시예는, 락 시스템의 개구가 부력체의 가장 작은 측방향의 단면에 정확히 들어맞는 경우, 부력체가 락 시스템을 통해 정밀하게 이동할 수 있게 한다. 예를 들어, 중공체는 형상은 원통형일 수 있고, 여기서 락 시스템의 개구 직경은 중공체의 외경과 정확히 일치한다. 승강 실린더의 전후진 이동은 락 시스템의 개구 치수에 의해 제한 되지 않고, 이러한 방식으로 유리하게 달성 될 수 있다. 다시 말하면, 승강 실린더의 움직임은 무한 레일 시스템을 통한 부력체의 움직임과 평행하게 발생한다.

락 시스템의 개구를 정밀하게 설계함으로써, 부력체와 함께 장벽을 형성하는 락 시스템이 유리하게 달성될 수 있으며, 제1 및 제2 공간들의 매질의 혼합이 방지될 수 있다. 특히, 기능적 연결은 제1 및 제2 공간들에 포함된 매질의 온도가 균등해지는 것을 방지하는 온도 장벽을 가능하게 한다. 바람직하게는, 부력체가 적어도 부분적으로 형성되는 물질은 열전도율이 낮은 물질 또는 본 명세서에 정의된 플라스틱 또는 목재와 같은 단열재 (이하에서 정의되는 바와 같은 열전도율 계수를 가짐)를 포함한다.

부력체가 온도 장벽 내에서 단열 요소로 기능하려면 한편으로는 따뜻한 공간에서 차가운 공간으로의 열 전달을 방지하고, 다른 한편으로는 단 시간 (예를 들어, 5분 이내)에 열 에너지를 흡수하거나 방출하여 여기에 설명된 대로 평균 밀도를 변경할 수 있도록 설계되어야 한다. 이는, 예를 들어, 부력체를 원통형으로 만듦으로써 달성될 수 있는데, 여기서 원통의 단부들은 열전도율이 작은 물질로 형성되는 반면, 원통의 측면은 열전도율이 양호하고 열전도율 계수가 적어도 20 Wm^-1K^-1 이상인 물질, 바람직하게는 적어도 50 이상의 Wm^-1K^-1, 특히 바람직하게는 100 이상의 Wm^-1K^-1, 매우 특히 바람직하게는 200 이상의 Wm^-1K^-1, 더욱 바람직하게는 300 이상의 Wm^-1K^-1 및 더욱 더 바람직하게는 400 이상의 Wm^-1K^-1인 물질로 형성하는 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 원통의 측면은 열전도율이 좋은 물질로서 구리를 포함할 수 있다. 구리는 일반적이고 저렴한 물질이기 때문에 구리의 사용은 특히 이점이 있다.

따라서, 온도 장벽의 목적은 제1 및 제2 공간을 서로 열적으로 분리하는 것이며, 특히, 제1 및 제2 매질을 서로 열적으로 분리하는 것이다. 특히, 제1 및 제2 매질이 화학적으로 동일한 경우, 락 시스템 또는 온도 장벽은 더 작은 누출 (즉, 제1 매질에서 제2 매질로 또는 제2 매질에서 제1 매질로의 전달)이 가능하도록 설계될 수 있다. 장치의 효율이 매질의 전달 특히 매질의 열 교환에 의해서만 미미한 영향을 받거나 감소될 정도로, 누출들이 충분히 커지도록 주의해야 하며, 그렇게 하면, 바람직하게는 시간당 1 K 미만, 특히 바람직하게는 시간당 0.5 K 미만 및 매우 바람직하게는 시간당 0.1 K 미만의 온도 변화를 야기한다. 따라서 본 발명에 따른 열적 분리가 절대적인 것으로 이해되어서는 안 되며, 오히려 열적 분리에 의해 야기된 제1 매질로부터 제2 매질의 단열은 부력체와 락 시스템 사이의 간격이 얼마나 큰 지에 따라 크게 좌우된다. 부력체와 락 시스템 사이의 갭 면적은 바람직하게는 락 시스템의 개구 면적의 최대 5%, 바람직하게는 최대 2%, 특히 바람직하게는 최대 1%에 해당한다. 갭 면적이 작을수록 매질이 서로 누출되는 것이 감소되고 열적 분리가 더 잘 된다는 이점이 있다.

또한, 제1 및 제2 공간들의 파일링 레벨들을 균등화 하면 매질이 서로 천이 되는 것을 더 방지할 수 있다.

물론, 무한 레일 시스템을 형성하는 물질은 적어도 락 주변 영역에서, 무한 레일 시스템을 통해 제1 공간에서 제2 공간으로 또는 그 반대로 열 전달을 방지하기 위해, 열 전도율이 작은 물질, 바람직하게는 열 전도율 계수가 1 Wm^-1K^-1 이하, 바람직하게는 0.5 Wm^-1K^-1 이하, 특히 바람직하게는 0.01 Wm^-1K^-1 이하 (예를 들어, 세라믹, 특히 마찰-저감 요소로 코팅 된 세라믹, 또는 플라스틱)인 물질을 포함해야 한다.

특히, 본 발명은 제1 공간을 제2 공간으로부터 열적으로 분리하기 위한 온도 장벽 장치 또는 제1 매질을 제2 매질로부터 열적으로 분리하기 위한 온도 장벽 장치를 포함하고, 장치는 락 시스템 및 부력체를 포함하고, 락 시스템 및 부력체는 기능적으로 연결되어 제1 매질이 제2 매질과 교차할 수 없거나 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 교차 방지는 여기서 절대적인 개념으로 간주되지 않는다. 당업자는 바람직하게는 부력체 및 락 시스템 사이의 갭을 선택하여, 한편으로는 소량의 매질만이 다른 매질과 교차할 수 있도록 하고, 다른 한편으로는 부력체의 움직임에 큰 영향을 미치지 않도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 당업자는 부력체가 마찰을 최소화하고 매질 교차를 최소화하면서 락 시스템을 통해 미끄러지는 것을 보장하는 방식으로 온도 장벽 장치를 설계해야 한다.

본 발명은 제1 공간을 제2 공간으로부터 열적으로 분리하기 위한 온도 장벽 장치 또는 제1 매질을 제2 매질로부터 열적으로 분리하기 위한 온도 장벽 장치를 더 포함하고, 장치는 적어도 하나의 개구 및 부력체를 갖는 락 시스템을 포함하고, 락 시스템 및 부력체는 부력체가 락 시스템의 개구를 통과할 수 있도록 설계되고, 제1 매질이 제2 매질 내로 또는 그 반대로 교차하는 것을 방지하고/또는 제1 및 제2 매질 사이의 온도 교환을 방지하기 위해 락 시스템의 개구에 배치되는 부력체와 접촉하는 적어도 하나의 밀봉 요소는 바람직하게는 부력체에 대해 정확하게 끼워 맞는다. 부력체는 전술한 바와 같이 제1 공간에서 제2 공간으로 또는 제2 공간에서 제1 공간으로의 방향으로 단열 되도록 구성하여 따뜻한 매질로부터 차가운 매질로 열이 전달되는 것이 방지 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 추가 개발에서, 부력체는 공간들 또는 매질 사이에 단열을 제공하는 것 외에 효율적인 열 흡수를 위해서도 구성된다.

제1 에서 제2 공간으로의 방향 또는 제2 에서 제1 공간으로의 방향은 따뜻한 매질에서 차가운 매질로의 열 흡수 방향으로 이해되어야 한다.

락 시스템의 개구는 본 명세서에 개시된 바와 같이 설계될 수 있으며, 개구는 부력체에 정확히 맞도록 설계되거나, 또는 전술한 바와 같이 갭이 설계될 수도 있다.

락 시스템이 부력체에 유연하게 고정되도록 설계된 경우(예를 들어, 유연한 립 사용), 매질 교차가 특히 효과적으로 방지될 수 있다. 또한, 락 시스템은 바람직하게는 밀봉 요소가 또한 열전도율이 좋지 않은 물질 (예를 들어, 플라스틱)로 적어도 부분적으로 만들어지도록 설계된다.

또한 중공체의 내부는 유체의 온도에 따라 그 부피가 변하는 열 반응성 폴리머를 기술 요소로 포함하는 것도 고려할 수 있다. 부력체의 부피에 영향을 미치는 형상 기억 폴리머들도 또한 고려할 수 있다. 예를 들어, 온도에 노출되면 본래의 형상으로 돌아가는 형상 기억 폴리머들 (예를 들어, 폴리락트산)은 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 부력체는 스프링 요소 또는 공압 요소를 두 개의 대향하는 벽들 사이의 내부에 배열하여 부력체의 부피를 증가시키기 위해 형상 기억 폴리머 요소들을 밀어내도록 설계할 수 있다. 온도의 영향으로 수축하는 형상 기억 폴리머 요소는 스프링과 평행하게 세로로 배열될 수 있으며 스프링의 외향력의 반작용으로 부력체의 부피를 감소시켜 비중 부력(specific buoyancy)을 감소시킬 수 있다. 대안으로, 중공체의 내부를 발포 형상 기억 폴리머로 설계하여, 온도에 따라 부력체의 평균 밀도를 변경할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 부력체는 형상 기억 금속으로 제조된 적어도 하나의 요소를 포함한다. 형상 기억 금속의 물질은 예를 들어 니티놀(nitinol)을 포함한다. 형상 기억 금속은, 예를 들어, 전술한 바와 같이, 부력체 내의 스프링 요소 또는 공압 요소에 기능적으로 연결 되도록 나선형으로 설계될 수 있고, 그 결과 부력체가 가열될 때 형상 기억 금속으로 제조 된 나선이 수축하고, 스프링 요소 또는 공압 요소의 힘의 반작용으로 결과적으로 부력체의 부피가 감소될 수 있다. 형상 기억 금속을 사용하면 부력체가 덜 마모되게 사용하게 되는 이점이 있다.

형상 기억 금속으로 제조 된 적어도 하나의 요소와 형상 기억 폴리머로 제조 된 적어도 하나의 요소가 결합된 실시예들도 생각할 수 있다.

추가 실시예에 있어서, 형상 기억 폴리머로 제조 된 폴리머 메시는 부력체를 둘러싼다. 부력체는 온도에 의존하거나 독립적으로 부력체의 벽들을 바깥쪽으로 밀어내는 기체를 포함할 수 있다. 온도가 상승하면 폴리머 메시가 수축하여 부력체의 부피를 감소시키고 평균 밀도를 감소시킬 수 있다. 폴리머 메시를 주변 유체에서 분리하기 위해 추가-유연-층으로 밀봉하거나, 피복을 통해 주변 유체와 분리할 수 있다. 이것의 이점은 폴리머 메시를 더 빨리 가열하거나 냉각할 수 있다는 것이다.

또한, 빛에 따라 형상이 변하는 형상 기억 폴리머들도 생각할 수 있다. 예를 들어, 빛에 노출됨으로써 이온화 되어 내부 삼투압을 생성하여 폴리머를 팽윤시키는 광-의존성 폴리머들은 선행기술에 공지되어 있다. 빛에 대한 노출이 중단되자마자 겔(gel)은 붕괴된다. 특히, 광-의존성 폴리머를 사용하는 실시예에서, 빛이 부력체의 외벽을 통과하여 그 뒤에 있는 광-의존성 폴리머에 도달할 수 있도록 부력체는 유리 또는 다른 투명한 물질을 포함하는 것이 유리하다.

상술한 모든 실시예들의 조합 또한 고려할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 외부 폴리머 메시는 부력체 내에 위치하는 스프링 요소 및/또는 형상 기억 금속 요소 및/또는 형상 기억 폴리머 요소와 결합될 수 있다. 추가 실시예들에 있어서, 온도 증가에 따라 팽창하는 형상 기억 폴리머가 사용될 수 있다.

부력체의 부피가 온도에 따라 변하게 하기 위해, 부력체는 제1 공간과 제2 공간에서 다른 온도에 노출 되어야 한다. 당업자는 부력체에 사용되는 물질, 특히 형상 기억 금속 또는 형상 기억 폴리머에 따라 필요한 온도 차이를 결정할 수 있고, 이를, 예를 들어, 열 교환기 또는 발열체에 의해 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 제공된 열 에너지는 부력 에너지로 변환될 수 있고, 결과적으로 기계적 및/또는 전기 에너지로 변환될 수 있다. 특히, 열 교환기는 외부 에너지원을 활용하여 제1 및/또는 제2 공간을 가열하는데 필요한 열량을 제공할 수 있다.

전술한 형상 기억 폴리머 또는 형상 기억 금속의 기능에는 제1 및 제2 공간들 사이의 미세한 온도차이 만으로도 충분하여, 부력 활용 장치는 낮은 열에너지 입력으로 동작할 수 있다. 이것의 이점은 열 출력이 작은 공정의 온도 변화를 활용할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 생물학적 공정 (예를 들어, 바이오 기체 플랜트에서의 발효)에서 발생하는 폐열이 적어도 제1 및/또는 제2 공간으로 공급되어 그 내부의 온도 변화를 초래한다고 생각할 수 있다. 바이오 기체 플랜트들은 종종 중유성(20-45 ℃) 또는 호열성(>50 ℃) 범위에서 작동한다. 대안적으로, 연소 공정에서 발생하는 폐열은 본 발명에 따른 장치를 작동시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 부력체는 부력체를 안정화 시키기 위해 가이드 레일들에 맞물리게 구성된 적어도 하나의 프로파일링을 포함한다. 프로파일링은 전술한 바와 같은 마찰-감소 요소를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 및/또는 제2 매질을 향하는 부력체의 표면은 프로파일링을 포함한다. 특히, 제1 및/또는 제2 매질을 향하는 부력체의 표면은 프로파일링으로 설계되어, 무한 레일 시스템이 락 시스템의 개구를 통해 연속적으로 안내될 수 있도록 하여, 무한 레일 시스템을 중단시킬 필요가 없다.

부력체의 형상은 본질적으로 원통형, 타원형, 원뿔형, 구형, 배 모양(pyriform) 및/또는 유선형일 수 있으며, 이들의 조합 또한 고려할 수 있다. 부력체는, 제1 및/또는 제2 공간 중 적어도 하나에서, 부력체보다 평균 밀도가 큰 유체 내에서 움직이므로, 부력체의 형상은 유선형이 바람직하다. 또한, 부력체의 상부보다 하부에 더 높은 정수압이 작용하는데, 이것이 부력의 원인이 된다. 이 점에서, 부력체는 본질적으로 원뿔 형상이 바람직하다. 당업자는 사용되는 유체 및 물질에 따라 부력체들의 정확한 형상 및 크기를 선택할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 특히 제2 공간에서의 부력체의 움직임은 중력의 영향을 받을 수 있다. 이는 제1 공간에서의 부력체가 그 안에 담긴 유체의 부력에 의해 중력에 반하여 위쪽으로 이동하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 부력체는 역전점을 통과한 후, 부력체는 유체의 평균 밀도가 부력체의 평균 밀도보다 작은 제2 공간으로 들어간다. 따라서, 부력체는 제2 공간에서 중력을 따라갈 수 있고 (또한: 아래로 떨어지고), 전술한 바와 같이 위치 에너지를 컨버터를 통해 전기 또는 기계적 에너지로 변환하여 이동 거리를 따라 일을 수행할 수 있다.

추가적인 실시예에 있어서, 부력체는 적어도 하나의 자성 요소를 포함하고, 적어도 하나의 코일은 후자(latter) 주위의 무한 레일 시스템을 따라 배열된다. 부력 및 하강 동안, 부력체는 코일을 통해 이동하고, 내부에 픽업될 수 있는 전류가 유도될 수 있다.

특히 바람직한 일 실시예에 따르면, 장치는 적어도 제1 및/또는 제2 공간에서 온도 변화를 유도하기 위한 열 교환기 및/또는 발열체를 포함한다. 열 교환기는 바람직하게는 공간들 중 한 곳에서만, 예를 들어, 제1 공간에서만 온도 변화를 야기한다. 이러한 온도 변화, 바람직하게는 온도 증가는, 부력체의 온도를 증가시키고, 그에 따라 부력체의 평균 밀도를 감소 시켜, 가열되지 않은 부력체에 비해 증가된 부력을 발생시킨다. 가열된 부력체는 상부 역전점에서 제2 공간으로 돌아올 때까지 가열된 공간 내에서 상승한다. 제2 공간에서의 온도는 제1 공간보다 작은 것이 바람직하며, 그 결과 부력체의 평균 밀도가 다시 변하여 더 낮은 역전점에 도달할 때까지 가라앉아, 다시 제1 공간의 상승된 온도에 노출되고, 이 과정이 반복된다.

열 교환기 또는 발열체에 의한 온도 변화는 바람직하게는 하부 또는 상부 역전점의 바로 근방 및/또는 부력체의 바로 근방에서 발생하며, 여기서 부력체로부터 열 교환기 또는 발열체까지의 위치 및 거리는 당업자에 의해 결정될 수 있다. 부력체의 가장 효율적인 온도 변화가 유도되도록 위치 및 거리를 선택해야 하며, 동시에 열 교환기가 위치하는 공간들에 따라 제1 또는 제2 공간에서의 온도 변화가 제2 또는 제1 공간에서의 온도 변화를 유발하지 않거나 미미한 정도만 유발되도록 보장되어야 한다. 제1 및/또는 제2 공간은 온도 변화를 특정 범위로 제한하기 위해 단열 요소를 포함해야 한다.

제1 또는 제2 공간에서 온도 변화를 유도하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 1차 및 2차 회로를 포함하는 열 교환기를 포함하고, 두 회로들은 서로 유체-연결되지 않는다. 열 교환기는 제1 공간 내에 배열될 수 있고, 2차 회로는 제1 공간의 매질을 포함하고, 한편 열 교환기의 1차 회로는 열을 발생시키는 생물학적 공정 (예를 들어, 발효), 및/또는 물리적 공정(예를 들어, 태양열), 및/또는 화학적 공정 (예를 들어, 연소)의 폐열을 운반하는 제3 매질/유체를 운반한다. 다른 실시예에 있어서, 열 교환기는 제2 공간에도 배열될 수 있다. 또한, 열 교환기는 그 1차 회로가 부력체보다 더 차가운 유체를 운반하게 함으로써 제1 및/또는 제2 공간에서 온도 감소를 유도하는 것을 생각할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 1차 회로는 제1 공간의 제1 매질보다 더 높은 온도를 갖는 제3 매질을 포함하고, 제3 매질은 제1 매질에 유체-연결될 수 없다. 제3 매질은 제1 또는 제2 매질보다 적어도 두 배 높은 끓는점을 갖는 유체 일 수 있다. 예를 들어, 제3 매질은 액체 염일 수 있다. 제3 매질을 사용하면 제1 및/또는 제2 매질이 보다 효과적으로 가열될 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 열 교환기가 생략되고, 공간들 중 적어도 하나는 제1 및/또는 제2 매질이 상이한 온도를 갖는 매질로 교체될 수 있도록 설계된다. 예를 들어, 열 교환기 대신에, 제1 및/또는 제2 매질이 제1 및/또는 제2 공간을 통과하고, 바람직하게는 제1 매질이 제1 공간을 통해 채널링되는 것이 고려될 수 있다. 제1 및/또는 제2 매질은 외부, 즉, 제1 및/또는 제2 공간의 외부로부터 공급되고, 다시 외부로 배출된다. 따라서 열 교환기의 구성이 유리하게 생략될 수 있다. 채널링되는 제1 또는 제2 매질은, 예를 들어, 냉각 회로의 물이거나 폐열을 발산시키는데 사용되는 물일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 제1 매질은 지열 공정에 의해 가열되고 제1 공간으로 공급되어 부력체들을 가열하는 반면, 제2 매질은 더 차갑고, 바람직하게는 적어도 20K 더 차갑고, 특히 바람직하게는 적어도 30K 더 차갑고, 매우 특히 바람직하게는 제1 매질보다 적어도 40K 더 차갑고, 제2 공간을 통해 공급되어 그곳의 부력체들을 냉각 시킨다. 추가적인 실시예에 있어서, 장치는 제2 매질이 제2 공간을 통과한 후, 예를 들어 지열 공정에 의해 제2 매질을 가열하는 장치로 공급되고, 이어서 제2 매질은 제1 공간으로 공급되어 부력체들에 열 에너지를 공급하도록 설계된다.

유리한 실시예에 따르면, 열 교환기는 또한 제1 및/또는 제2 공간에서의 온도를 감소시키기 위해 냉각제로서 설계된 제3 매질을 운반한다. 대안적으로, 냉각제는 제1 및/또는 제2 공간, 바람직하게는 둘 중 하나만을 통해 유동하여 공간 내에 위치하는 부력체들이 냉각될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 매질은 동일한 화학 구조를 갖는다. 예를 들어, 제1 및 제2 공간에는 물 또는 기름이 포함될 수 있다. 부력체는 두 공간들을 모두 통과할 수 있으며, 천이 영역들은 또한 제1 및 제2 공간들에 유체-연결된다. 제1 공간으로부터 제2 공간으로의 열 확산을 방지하거나 방해하는 락 시스템이 제1 및 제2 공간들 사이에 배치될 수 있다. 이것의 이점은 부력체가 부피에 영향을 미치기 위해 지정된 공간의 최대 온도 변화에만 노출되어 부력체의 부력에 영향을 미친다는 것이다. 다른 실시예에 있어서, 락 시스템은 생략될 수 있다.

추가 실시예에 있어서, 열 교환기의 1차 회로, 즉, 제3 매질은 태양열 패널 또는 상술한 다른 폐열 생성 공정으로부터 생성 된 폐열을 운반하고, 제3 매질의 온도는 가변적이다.

본 발명은 부력에 의해 제1 공간에서 부력체를 이동시키고 중력에 의해 제2 공간에서 부력체를 이동시키는 단계를 포함하는 부력 활용 장치의 사용 방법에 관한 것으로서, 부력체의 이동은 무한 레일 시스템을 따라 일어난다.

특히, 본 발명은 부력 활용 장치를 작동시키고 열 에너지를 전기 및/또는 기계적 에너지로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 방법은 제1 공간 및 제2 공간 및 적어도 하나의 부력체, 제1 매질 및 제2 매질, 열 교환기, 무한 레일 시스템, 및 부력체의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 컨버터를 포함한다. 방법은 열 교환기에 의해 제1 및/또는 제2 공간으로 도입된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함한다. 이는 전술한 바와 같이 열 에너지 입력을 통해 부력체의 평균 밀도에 영향을 줌으로써 달성된다.

또한, 본 발명은 부력 활용 장치를 작동하고 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 제1 공간 및 제2 공간 및 적어도 하나의 부력체, 제1 매질 및 제2 매질, 열 교환기, 무한 레일 시스템, 및 그 부력에 의해 야기되는 부력체의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 컨버터를 제공하는 단계를 포함하며, 부력체의 이동은 무한 레일 시스템을 따라 발생하고, 제1 및/또는 제2 공간으로 입력되는 열 에너지는 열 교환기에 의해 제공되고, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 부력체의 평균 밀도는 열 에너지 입력에 의해 영향을 받는다.

또한, 본 발명은 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 여기에 정의된 부력 활용 장치, 특히 부력으로 인해 발생하는 움직임으로부터 부력체의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 컨버터를 제공하는 단계를 포함하고, 부력체의 이동, 특히 무한 레일 시스템에 의해 안내되는 이동은 무한 레일 시스템을 따라 발생하고, 열 교환기에 의해 제1 및 제2 공간 사이의 온도차가 유도되고, 부력체의 평균 밀도 및 부력은 온도 차이에 따라 증가하거나 감소하고, 부력체는 그 평균 밀도에 따라 제1 및 제2 공간에서 이동, 바람직하게는 무한 레일 시스템을 따른 이동을 실행하고, 이동은 컨버터에 의해 전기 에너지로 변환된다.

열 에너지는 제1 공간에 입력되는 것이 바람직하다. 그러나 열 에너지는 제1 공간 대신 제2 공간에 입력될 수도 있다. 매질 중 적어도 하나, 바람직하게는 매질 중 하나, 즉, 제1 매질 또는 제2 매질, 보다 바람직하게는 제1 매질에 입력 된 열 에너지에 의해 부력체가 가열되고, 결과적으로 본 명세서에 개시 된 바와 같이 그 평균 밀도가 변한다. 부력체는 제1 공간에서 제2 공간으로 교대로 이동하며, 공간들 사이, 특히 이들 안에 수용된 매질 사이의 온도차는 적어도 5 K보다 크고, 바람직하게는 10 K보다 크고, 특히 바람직하게는 20 K보다 크고, 매우 바람직하게는 30 K보다 크고, 더 바람직하게는 40 K보다 크다. 온도 차이가 클수록 부력체의 보다 효율적인 냉각 또는 가열이 유리하게 수반된다.

방법의 일 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 공간으로 입력되는 열 에너지는 지열 공정 및/또는 태양열 공정 및/또는 폐열 생성 공정, 또는 본 명세서에 개시된 추가 공정에 의해 제공된다.

본 발명은 또한 유체의 위치 에너지를 제공하고 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 모세관 상승을 활용하는 모세관 흡입 기화 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 유체의 모세관 상승을 활용하고 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 모세관 흡입 기화 장치에 관한 것으로서, 유체는 적어도 하나의 모세관 내의 하부 용기로부터 상부 용기를 향한 방향으로 중력 방향에 반하여 이송될 수 있고, 유체는 운송 후에 상부 용기 내에서 기체상으로 전환될 수 있고, 유체는 상부 용기 내의 기체상으로부터 응축되고, 응축된 유체는 상부 용기로부터 하부 용기 내로 떨어진다.

본 발명은 특히 유체의 모세관 상승을 활용하여 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하는 모세관 흡입 기화 장치에 관한 것으로서, 유체는 중력 방향에 반하여 적어도 하나의 모세관 내의 하부 용기에서 상부 용기를 향한 방향으로 이송될 수 있고, 운송이 완료된 후 유체는 상부 용기 내에서 기체상으로 이송될 수 있고, 유체는 상부 용기 내의 기체상에서 응축되고, 응축된 유체는 상부 용기에서 하부 용기 내로 떨어지고, 상부 용기는 유체를 기화 시키는데 필요한 에너지를 제공하는 전자기 복사를 수신하게 설정되도록 배열 및 설계된다.

유체를 기화 시키는 데 필요한 에너지는 태양에서 방출되는 방사선, 특히 적외선에 의해 제공될 수 있다.

유체가 상승하면 유체가 더 큰 높이로 상승하여 더 많은 위치 에너지를 얻게 되며, 이는 컨버터에 의해 사용 가능한 전기 에너지로 변환될 수 있다. 유체를 기화 시키는데 필요한 에너지는 바람직하게는 태양에 의해 방출되는 방사선 (예를 들어, 가시광선, 적외선)에 의해 제공된다.

바람직하게는, 저온 (예를 들어, 30 ℃ < 의 온도, 바람직하게는 50 ℃ < 의 온도, 특히 바람직하게는 80 ℃ < 의 온도, 더욱 바람직하게는 110 ℃ < 의 온도)에서 기체상으로 변화되는 유체가 사용된다. 저온에서 끓는점을 갖는 유체를 사용하면 끓는점이 높은 유체보다 기화에 필요한 에너지가 더 작은 이점이 있다.

모세관 상승은 액체들이 모세관 용기 (모세관 이라고도 한다)의 물질을 적실 때 발생한다. 예를 들어, 물은 유리관에서 상승하여 오목한 표면 (meniscus)을 형성한다. 이 거동은 두 물질들 사이의 접착력으로 인해 발생한다. 모세관 상승은 유체를 더 높은 위치 (지구의 중심까지의 거리와 관련하여)로 운반하는 데 사용될 수 있으며, 이를 통해 유체는 전기 에너지로 변환하는 데 사용할 수 있는 더 큰 위치 에너지를 받는다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 장치는 바람직하게는 하나 이상의 모세관, 특히 바람직하게는 50개 이상, 매우 특히 바람직하게는 100개 이상의 모세관들을 포함하는 모세관 다발을 포함한다. 당업자는 모세관들의 직경을 결정할 수 있다. 모세관들의 내경이 작을수록 유체의 모세관 상승 높이가 증가한다.

유체는 에너지 입력에 의해 기화될 수 있는 액체를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 유체는 극성 화합물(예를 들어, 물)을 포함한다. 극성 액체들은 모세관 벽들에 대해 접착력이 증가하여 유체의 상승 높이가 증가한다는 이점이 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 유체는 중력 방향에 반하여 하부 용기에서 상부 용기로 모세관 또는 모세관 다발을 통해 상승한다. 따라서 두 용기들은 서로 유체-연결되어 있다. 상부 용기 내에서, 유체는 기체상으로 변환될 수 있다. 물 대신에 물보다 끓는점이 작은 다른 유체를 선택할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이것의 이점은 유체를 기체상으로 기화 시키는데 요구되는 열 에너지가 더 작다는 것이다.

상부 용기는 기체상인 유체가 그 안에 유지되어 응축되는 방식으로 설계되었다. 핵 형성 과정의 유형에 따라, 두 가지 기본 응축 유형들로 구별될 수 있다. 각각의 경우, 조건은 응축 성분에 비해 기체상이 과포화 된 것이다. 개별 기체 입자들이 기체 내에서 만나 결합하는 경우, 이를 균질 응축(homogeneous condensation)이라고 한다. 이를 위해, 계면(interfaces)의 개입 없이 더 큰 구조들을 형성하기 위해 충분히 느린 입자들이 함께 모일 필요가 있다. 대조적으로, 이질 응축(heterogeneous condensation)은 매우 낮은 과포화만을 필요로 한다. 이러한 형태의 응축은 기존 표면들, 즉 일반적으로 기체상 내에 부유하는 고체 입자들, 응축 핵 또는 에어로졸 입자들에서 발생한다. 이들은 해당 기체와 관련하여 일종의 입자 트랩 역할을 하며, 입자의 반경과 화학적 특성은 본질적으로 기체 입자들이 얼마나 잘 부착되는지를 결정한다. 이는 미립자가 아닌 물체의 표면에도 유사하게 적용되며, 이러한 경우를 김 서림(fogging)이라 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상부 용기는 그러므로 적어도 하나의 응축 요소를 포함하며, 이의 가장 간단한 케이스가 유체의 기체상과 접촉하는 상부 용기의 벽이다. 추가적인 실시예에 있어서, 벽은 전체적으로 또는 부분적으로 제공되거나 기체 유체의 응축을 유리하게 향상시키는 구조로 코팅된다.

응축이 발생한 후 유체는 상부 용기에서 하부 용기로 되돌아갈 수 있으며, 이 과정은 중력으로 인해 발생하므로 낙하 과정으로 설명될 수 있다. 낙하하는 동안 위치 에너지는 컨버터를 통해 전기 에너지로 변환될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 컨버터는 적어도 하나, 바람직하게는 하나 이상의 마찰 전기(triboelectric) 요소를 포함한다. 마찰 전기 요소들은 표면에서 유체 이동으로 인해 정전기가 유발되는 물리적 효과를 활용한다. 마찰 전기 요소들은, 예를 들어, 전기 절연 폴리머 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)이 도포 된 반도체 인듐 주석 산화물(ITO)의 층을 포함한다. 폴리테트라플루오르에틸렌은 예를 들어 전하들을 저장하거나 마찰을 통해 이들을 축적할 수 있는 소위 일렉트릿(electret)이다. 작은 알루미늄 조각들은 두 층들을 연결하고 전극 역할을 한다. 물방울이 폴리테트라플루오르에틸렌 층에 떨어지면, 발수성 폴리테트라플루오르에틸렌 표면으로 퍼지고, 전기화학적 상호 작용들을 통해 전하가 발생하고, 물방울들의 수가 증가할수록 표면의 전하도 증가한다. 그런 다음 전하를 사용하여 전류를 생성할 수 있다.

추가적인 실시예에 있어서, 유체에 포함 된 염들이 마찰 전기 요소의 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로, 마찰 전기 요소에 의한 전류 생성을 유리하게 향상시키기 위해 유체는 탈이온화 된 액체 (예를 들어, 무염수(salt-free water))를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상부 용기 내에 배열된 상부 모세관의 말단은 편평한 요소 (또한: 인공 잎)로 설계되고, 상부 용기의 내부가 기공을 통해 모세관 내부에 유체-연결되도록 설계된다. 이는 예를 들어 미세한 구멍들에 의해 달성 될 수 있다. 결과적으로, 유체는 모세관으로부터 상부 용기로 기공을 통해 전달될 수 있다. 기공의 설계는 임의적이다. 예를 들어, 편평한 요소 또는 원형 또는 직사각형 구멍들 내에 배열된 길쭉한 오목부들이 고려될 수 있다. 구멍들이나 오목부들의 크기는 다양할 수 있다. 예를 들어, 갭 개구의 직경은 5 μm 내지 2 cm 사이일 수 있다. 직경은 편평한 요소의 설계 및 공간 방향에 따라 달라진다. 이것이 수직으로 배향되는 경우, 유체의 표면 장력을 충분히 높여 중력으로 인해 이미 기공을 통과하지 않도록 100 μm < 의 기공이 유리하다. 그러나, 이 또한 사용된 물질에 따라 달라진다. 당업자는 개시 된 효과를 달성하기 위해 편평한 요소 및 기공을 설계하는 방법을 결정할 것이다.

일 실시예에 있어서, 편평한 요소는 열-흡수 및/또는 광-흡수 코팅을 포함 하고/하거나, 열-흡수 및/또는 광-흡수 물질로 제조된다. 이것의 이점은 코팅 또는 물질에 입사되는 빛(예를 들어, 태양광)이 가능한 한 효율적으로 열 에너지로 변환되어 유체가 편평한 요소의 표면에서 기화되도록 한다는 것이다.

상부 용기는 유체가 기체 또는 액체 상태로 빠져나가지 않도록 유체-기밀(fluid-tight) 하게 설계되는 것이 바람직하다. 그러나, 상부 용기는 유체가 제어된 방식으로 상부 용기로부터 빠져나갈 수 있도록 하는 적어도 하나의 개구를 포함한다. 상부 용기는 기체 챔버를 더 포함할 수 있으며, 그 내용물은 기체 유체와 유체-연결되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 기체 공간은 상부 용기가 대기 내에서 증가된 부력을 가질 수 있게 하는 운반 기체 (예를 들어, 헬륨과 같은 불활성 기체)로 채워진다.

상부 용기 및/또는 기체 챔버의 벽이 전자기 스펙트럼에 투명한 물질로 만들어져 있다는 것은 말할 필요도 없다.

이상적으로는, 태양광, 특히 적외선을 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 특히 바람직하게는 10% 미만 및 특히 바람직하게는 5% 미만으로 차폐하는 투명 물질이 선택된다.

투명한 물질의 투명성은 또한 상부 용기 내의 온도 발달을 개선하여 유체의 보다 효율적인 기화를 초래한다. 이는 온실에서도 관찰 할 수 있는 소위 온실 효과 때문이다.

모세관 또는 모세관 다발은 유연하지 않은 요소를 포함할 수 있으며, 이는 구부릴 수 없거나 매우 제한된 범위 까지만 구부릴 수 있음을 의미한다. 다른 실시예에 있어서, 모세관 또는 모세관 다발은 유연한 요소 (예를 들어, 직물)를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 모세관의 물질은 플라스틱을 포함하고, 여기서 당업자는 유체의 가능한 한 가장 높은 상승 높이를 갖는 모세관을 제조하기에 적합한 다양한 플라스틱 중에서 선택할 수 있다. 모세관의 내경은 당업자가 자유롭게 선택할 수 있다. 그러나, 유체의 가능한 가장 높은 모세관 상승을 허용하는 내경이 선호된다.

유연한 모세관 또는 유연한 모세관 다발을 사용하면 장치의 기계적 안정성이 향상된다 또한, 관련 유연성(associated flexibility)을 사용하면 추가적인 전기 에너지를 제공할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 모세관 또는 모세관 다발은 상부 용기를 하부 용기에 연결하고 응축된 유체가 상부 용기로부터 하부 용기로 되돌려질 수 있게 하는 유연한 외피 채널(enveloping channel)에 배열된다. 유연 채널은 마찰 전기 요소들을 포함할 수 있다.

또한, 유연 채널 또는 모세관 다발은 적어도 하나의 압전 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전 요소는 유연 채널에 평행하게 배열되는 유연 섬유를 포함할 수 있다. 섬유는 플라스틱 및 금속 화합물 (예를 들어, 폴리이미드 및 산화아연)을 포함할 수 있다. 유연 섬유를 늘리면 전류가 발생한다. 따라서, 상부 용기는 상부 용기에 양의 부력을 제공하고 또한 모세관 다발 또는 유연 채널을 지지하는 운반 기체를 포함한다고 생각할 수 있다. 바람의 움직임으로 인해 유연 채널 또는 모세관 다발과 그 위에 배열된 압전 섬유들이 늘어나 전류가 생성된다.

또한, 편평한 요소는 촉매 요소로 설계되어 유체가 물인 경우 태양 복사에 의해 수소와 산소로 분리되어 수소가 운반 기체로 사용될 수 있다는 것도 고려할 수 있다. 이것의 이점은 태양 복사에 노출될 때 운반 기체가 지속적으로 생성된다는 것이다. 상부 용기에서 수소와 산소를 별도로 배출할 수 있어 에너지원으로 장치를 사용하여 수소를 생성할 수 있다.

편평한 요소는 태양열 집열기 기화기 모듈로도 불릴 수 있다. 그 기능은 태양에서 방출되는 방사선을 통해 유체를 기화 시키는 것이며, 이는 아직 기화되지 않은 유체의 모세관 상승을 지지한다.

본 발명은 또한 모세관 흡입 기화 장치의 작동 방법에 관한 것이며, 특히 전기 에너지를 제공하는 방법에 관한 것으로서, 모세관 상승에 의해 유체를 하부 용기에서 상부 용기로 이동시키고, 태양에 의해 방출되는 방사선 (예를 들어, 가시광선, 적외선)에 의해 상부 용기 내의 유체가 기화되고, 상부 용기 내의 유체가 응축 되고, 응축된 유체가 상부 용기로부터 중력에 의해 이동되고, 유체의 기화는 편평한 요소에서 태양 에너지에 의해 발생하며, 응축 된 유체는 전기 에너지를 제공하기 위해 적어도 하나의 컨버터를 작동시킨다.

마지막으로, 출원 서류들, 특히 종속 청구항들에 언급된 모든 특징들은, 하나 이상의 특정 청구항들에 대한 공식적인 언급에도 불구하고, 개별적으로 또는 임의의 조합으로 독립적인 보호를 받아야 한다는 점에 유의해야 한다.

본 발명의 추가적인 이점들, 특징들 및 잠재적 응용들은 또한 예시적인 실시예들에 대한 다음의 설명 및 도면으로부터 명백해 진다. 설명 및/또는 예시된 모든 특징들은, 개별적으로 또는 임의의 조합으로, 심지어 특허청구범위 또는 그 참고문헌의 요약과 관계없이 본 발명의 목적을 형성한다.

예시적인 실시예들

본 발명은 본 발명을 제한하지 않고 아래의 도면 및 예시적인 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명된다.

여러 도면들에서, 등가 기능의 부분들은 항상 동일한 참조 부호로 지정되므로 일반적으로 한 번만 설명된다.

도 1 A-C는 부력 활용 장치(1.0)의 실시예를 나타내며, 제1 매질(2.1) (여기서는: 물)로 채워진 제1 챔버(1.1) 및 제2 매질(2.2) (여기서는: 공기)로 채워진 제2 챔버(1.2)를 포함한다. 또한, 장치는 무한 레일 시스템으로 설계된 원주 가이드(4.0) 내에서 안내될 수 있는 부력체(3.0)를 포함한다. 제1 공간(1.1) 및 제2 공간(1.2)은 락 시스템(1.3)에 의해 서로 분리되며, 이에 의해 하부 역전점(1.4)에 배열된다. 도 1B에 확대 도시 된 락 시스템(1.3)은 직렬로 연결된 여러 개의 립 씰들(1.5)을 포함하고, 그 내경은 부력체들(3.0)의 단면에 정확히 맞도록 설계된다. 부력체들(3.0)은 폴리에틸렌으로 만들어지고, 폴리테트라플루오르에틸렌으로 코팅된 중공체로 제조되어 부력체들(3.0)은 마찰을 최소화하면서 무한 레일 시스템(4.0)을 통과하도록 안내될 수 있다. 도시되지 않은 컨버터들은 무한 레일 시스템(4.0)을 따라 배열되어 있으며, 이들은 제1 공간(1.1)에서 상승하는 동안과 제2 공간(1.2)에서 하강하는 동안 부력체들(3.0)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 도 1C는 도 1B에 도시 된 단면 S-S을 나타낸다. 원주 가이드(4.0)는 제1 가이드 레일(4.1), 제2 가이드 레일(4.2) 및 제3 가이드 레일(4.3)을 포함하며, 이에 따라 가이드 레일들은 서로 120° 각도로 배열된다. 립 씰(1.5)의 내경은 부력체(3.0)의 단면에 정확히 맞도록 설계되어, 제1 매질(2.1)이 부력체(3.0)와 립 씰(1.5) 사이를 침투할 수 없도록 유리하게 설계된다. 가이드 레일들(4.1, 4.2, 4.3)은 한편으로는 립 씰을 안정화하고 다른 한편으로는 원주 가이드(4.0)를 통해 부력체(3.0)를 연속으로 안내하는 역할을 한다. 대체적으로, 서로 180° 각도로 배열된 두 개의 가이드 레일들만 사용할 수도 있다.

도 2A, 도 2B 및 도 2C는 각각 본질적으로 단면이 원형 프로파일을 갖는 부력체(3.0)의 실시예를 나타낸다 부력체(3.0)는 3개의 가이드 레일들(4.1, 4.2, 4.3) 내에 배열되어, 부력체(3.0)는 가이드 레일들(4.1, 4.2, 4.3)의 길이 방향으로만 움직일 수 있다. 도 2D는 서로 120° 각도로 배열된 가이드 레일들(4.1, 4.2, 4.3)과 함께 도 2B에 도시된 부력체(3.0)를 나타낸다. 도 2E는 변형된 실시예를 나타내며, 부력체(3.0)의 외부는 가이드 레일들(4.1, 4.2, 4.3)이 맞물리도록 안내되는 프로파일링(5.0)을 갖도록 설계된다. 이러한 프로파일링은 부력체(3.0)가 세로축을 중심으로 회전하는 것을 방지한다는 점에서 유리하다.

도 3A 및 도 3B 는 평균 밀도 및 그에 따른 부력이 온도 변화에 의존하는 부력체(3.0)의 추가 실시예를 나타낸다. 부력체(3.0)는 중앙에 배열된 공압 요소(3.1)를 포함하며, 그 기능은 부력체(3.0)의 평균 밀도를 감소시켜 부력을 증가시키기 위해 성형 된 보울들(3.2)을 분리하는 것이다. 부력체(3.0)가 가열되자마자, 성형된 보울들(3.2)을 둘러싸는 열반응성 폴리머 쉘(3.3)이 수축하여, 열반응성 폴리머 쉘(3.3)의 수축에 의해 가해지는 힘이 공압 요소의 수축력에 상쇄된다. 스프링은 공압 요소(3.1) 내부에도 배치될 수 있다. 공압 요소(3.1)의 최대 힘은 전이 온도에 도달하자마자 열반응성 폴리머 쉘(3.3)의 힘이 더 커지도록 설정된다. 열반응성 폴리머 외피(3.3)를 수축시킴으로써, 부력체(3.0)의 평균 밀도와 그에 따른 부력이 감소된다. 온도가 다시 감소하면, 공압 요소(3.1)의 외향력이 우세해지고 부력이 다시 증가한다. 열반응성 폴리머 쉘(3.3)은 신축성 플라스틱으로 제조 된 발액성 쉘(3.4)로 추가적으로 둘러싸여 있다. 완전히 압축된 부력체는 가장 작은 부력을 갖는다. 완전히 감압 된 부력체는 가장 큰 부력을 갖는다. 도 3A는 감압 된 부력체(3.0)를 나타내고 도 3B는 압축 된 부력체(3.0)를 나타낸다.

도 3C 및 도 3D는 부력체(3.0)의 추가 실시예를 나타낸다. 부력체(3.0)는 열반응성 폴리머 메시(3.6) 및 발액성 피복(3.4)으로 둘러싸인 기체로 채워진 공압 중공체(3.5)를 포함한다. 기능적 원리는 상술한 것과 같고, 도 3C는 감압 된 부력체(3.0)를 나타내고, 도 3D는 압축 된 부력체(3.0)를 나타낸다.

도 4A는 부력 활용 장치(1.0)의 실시예를 나타내며, 여기에는 상술한 바와 같이 평균 밀도가 온도 가변적인 부력체(3.0)가 도시되어 있다. (여기 도시되지 않은) 무한 레일 시스템은 압축 부력체(3.7) 및 감압 부력체(3.8)가 무한 레일 시스템 내에서 움직일 수 있도록 설계되었다. 그러므로, 바람직하게는 무한 레일 시스템과 부력체 사이에 충분한 간격이 있어서, 감압 및 압축 된 부력체들이 무한 레일 시스템 내에서 안내될 수 있다. 여기서, 부력 활용 장치(1.0)는 단열 격벽(1.6)에 의해 분리된 제1 공간(1.1) 및 제2 공간(1.2)을 포함하고, 두 공간들은 모두 동일한 매질 (여기서는: 물)을 수용한다. 바이오 기체 플랜트의 폐열을 전도하는 열 교환기(1.7)는 제2 공간(1.2)에 배열된다. 열 교환기(1.7)는 이를 통해 안내되는 부력체들(3.0)의 온도를 증가시키고, 위에 표시된 대로 설계 되어 평균 밀도를 감소시킨다. 하부 역전점(1.4)에 도달하면, 부력이 다시 증가하여, 부력체(3.0)가 위로 상승한다. 제1 공간(1.1)과 제2 공간(1.2)의 상단에는 공기 공간(2.3)이 배열된다. 이는 제2 공간(1.2)에서 제1 공간(1.1)으로의 열 전달을 최소화하는 단열재의 역할을 한다. 부력체들의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 컨버터들은 도시되지 않았다. 도 4B는 도 4A가 사소하게 변형 된 실시예를 나타내며, 여기서는 공기 공간이 없다. 대신에, 제1 공간(1.1)과 제2 공간(1.2)은 단열 격벽(1.6)에 의해 서로 분리되고, 제2 공간(1.2)에서 제1 공간(1.1)으로의 열 확산을 방지하는 방식으로 설계되며, 예를 들어, 단열 격벽(1.6)과 부력체(3.0) 사이에서 최소한의 물 확산이 발생하도록 격벽 개구(1.8)가 설계된다. 격벽 개구(1.8)는 본 발명에 따른 락 시스템의 일 실시예이다.

도 5는 모세관 흡입 기화 장치(6.0)의 일 실시예를 나타낸다. 평행하게 배열된 모세관의 모세관 다발(6.1)은 유체 밀폐형 하부 용기(7.1)에서 상부 용기(7.2)로 유체(여기서는: 물)를 유도한다. 단순화를 위해, 여기서는 하나의 모세관만 도시한다. 상부 용기(7.2)에서, 모세관 다발의 상단은 기공(8.1)이 있는 편평한 요소(8.0)로 설계되었다. 기공은 길쭉한 오목부들로 설계되었다. 기공(8.1)은 서로 평행하게 배열된다. 상부 용기(7.2)도 유체 기밀로 설계되고 투명 요소(7.3)를 포함한다. 입사광(7.4)은 투명 요소(7.3)를 통과하여 편평한 요소(8.0)에 부딪혀 가열되고, 기공(8.1)을 통해 물을 기화 시킨다. 기화는 물결 모양의 화살표로 표시된다. 상부 용기(7.2)는 유체-기밀로 설계되었으므로, 수증기는 상부 용기(7.2)의 벽에 응축되어 상부 수조(7.5)에 모인다. 이로부터, 응축수(7.6)는 하향 파이프(6.2)를 통해 하부 용기(7.1)로 돌아간다. 컨버터들(8.2, 8.3)은 하향 파이프(6.2) 내부에 배치되어 물의 위치 또는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 컨버터는 회전 요소(8.2) 또는 마찰 전기 요소(8.3)로 설계될 수 있다. 물 대신, 끓는점이 낮은 다른 유체도 고려할 수 있으므로, 약한 태양 복사에서도 유체의 기화가 보장된다.

도 6A는 도 5에서 변형된 모세관 흡입 기화 장치(6.0)의 실시예를 나타낸다. 여기서, 상부 용기(7.2)는 내부 풍선(9.0)과 외부 풍선(9.1)을 포함한다. 내부 풍선(9.0) 내부에는 편평한 요소(8.0)가 기공으로 배열되고 여기에서 코드들로 설계된 서스펜션(9.2)을 통해 내부 풍선 (9.0)의 벽에 연결된다. 내부 풍선(9.0)은 서스펜션(9.2)을 통해 외부 풍선(9.1) 내부에 매달려 있다. 두 풍선들(9.0, 9.1)은 투명하고 방수가 되는 플라스틱으로 만들어졌다. 내부 풍선(9.0) 과 외부 풍선(9.1)의 벽 사이에 위치한 기체 챔버(9.3)에는 운반 기체(여기서는: 헬륨)가 포함되어 있어 대기 중 상부 용기(7.2)의 부력을 증가시킨다. 모세관 다발(6.1) 내에서 유체(여기서는: 물)가 상승하고, 편평한 요소(8.0)의 기공을 통한 유체가 기화하고, 응축 및 하향 파이프(6.2)를 통해 하부 용기(7.1)로 이동하는 작동 원리는 도 5에 설명된 프로세스에 해당한다.

도 6B는 도 6A의 모세관 다발(6.1)과 하향 파이프(6.2)가 유연하고 유연한 외피 채널(6.3)에 배열된 변형된 실시예를 나타낸다. 압전 섬유들(6.4)은 하향 파이프(6.2), 모세관 다발(6.1) 및 유연 채널(6.3)의 내벽 사이에 배열된다. 유연 채널(6.3)이 늘어나거나 압축되면 전기 에너지가 수집될 수 있다.

설명된 구성 요소의 크기는 축척으로 표시되지 않는다. 또한, 도시된 본 발명의 실시예들은 각각의 경우에 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 이에 한정되는 것이 아니다. 본 발명은 또한 이러한 실시예로부터 벗어난 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 다른 실시예에 있어서, 편평 요소들, 뿐만 아니라 모세관 다발 및 하향 파이프는 생략될 수 있다. 대신에, 압전 섬유들은 부력 기체로 채워진 풍선에 의해 지지되는 유연한 요소를 따라 배열될 수 있다.

1.0 : 부력 활용 장치 5.0 : 프로파일링
1.1 : 제1 공간 6.0 : 모세관 흡입 기화 장치
1.2 : 제2 공간 6.1 : 모세관 / 모세관 번들
1.3 : 락 시스템 6.2 : 하향 파이프
1.4 : 하부 역전점 6.3 : 외피 채널
1.5 : 밀봉 요소 / 립 씰 6.4 : 압전 요소 / 압전 섬유들
1.6 : 단열 격벽 7.1 : 하부 용기
1.7 : 열 교환기 / 발열체 7.2 : 상부 용기
1.8 : 격벽 개구들 7.3 : 투명 요소
1.9 : 상부 역전점 7.4 : 태양광
2.1 : 제1 매질 7.5 : 상부 수조
2.2 : 제2 매질 7.6 : 응축수 / 응축 유체
2.3 : 공기 공간 8.0 : 편평한 요소
3.0 : 부력체 8.1 : 기공
3.1 : 공압 요소 8.2 : 컨버터 (회전 요소)
3.2 : 성형 된 보울들 8.3 : 컨버터 (마찰 전기 요소)
3.3 : 열반응성 폴리머 쉘 9.0 : 내부 풍선
3.4 : 발액성 피복 9.1 : 외부 풍선
3.5 : 공압 중공체 9.2 : 서스펜션
3.6 : 열반응성 폴리머 메시 9.3 : 기체 챔버
3.7 : 압축 된 부력체
3.8 : 감압 된 부력체
4.0 : 원주 가이드 / 무한 레일 시스템
4.1 : 제1 가이드 레인
4.2 : 제2 가이드 레인
4.3 : 제3 가이드 레일

Claims

운동 부력 에너지 및/또는 위치 에너지를 기계적 및/또는 전기적 에너지로 활용 및 변환하기 위한 부력 활용 장치(1.0)로서 다음 구성요소들을 포함하고:
a) 제1 매질(2.1)로 채워진 제1 공간(1.1)
b) 제2 매질(2.2)로 채워진 제2 공간(1.2)
c) 적어도 하나의 부력체(3.0)
d) 원주 가이드(4.0), 상기 원주 가이드(4.0)를 따라 적어도 하나의 부력체(3.0)의 이동이 가이드 되고,
상기 원주 가이드(4.0)는 상기 제1 공간(1.1) 및 상기 제2 공간(1.2)을 통과하는 부력 활용 장치(1.0)에 있어서,
상기 원주 가이드(4.0)는 무한 레일 시스템을 포함하고,
상기 제1 공간(1.1) 및 상기 제2 공간(1.2)은 락 시스템(1.3)에 의해 적어도 하나의 지점에서 분리되고,
상기 락 시스템(1.3)은 영구적인 개구를 갖고,
상기 부력체는 그 평균 밀도 및 그 부력이 온도에 의존하도록 설계되고,
상기 제1 매질(2.1) 및 상기 제2 매질(2.2)은 온도가 상이하고,
상기 장치는 외부 에너지원이 상기 제1 공간(1.1)과 상기 제2 공간(1.2) 사이의 온도 차이를 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 부력체(3.0)는 중공체로 설계되고, 상기 중공체의 재질은 금속, 플라스틱, 유리 또는 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중공체는 가스 및/또는 폴리머를 포함하고, 상기 부력체(3.0)의 평균 밀도는 상기 가스 및/또는 상기 폴리머의 팽창에 의해 영향을 받을 수 있고, 상기 가스 및/또는 상기 폴리머의 팽창은 상기 제1 및/또는 상기 제2 공간에서의 온도 변화에 의존하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매질(2.1) 및/또는 상기 제2 매질(2.2)과 대향하는 상기 중공체(3.0)의 표면은 프로파일링(5.0)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열 교환기(1.7) 및/또는 발열체가 적어도 상기 제1 및/또는 상기 제2 공간에서 온도 변화를 유도하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 상기 열 교환기 또는 상기 발열체에 의해 하부 역전점(1.4)의 바로 근방 및/또는 상부 역전점(1.9)의 바로 근방 및/또는 부력체(3.0)의 바로 근방에서 상기 온도 변화가 유도되는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 열 교환기는 1차 및 2차 회로를 포함하고, 상기 회로들은 서로 유체 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서, 태양열 패널 및/또는 폐열-생성 공정이 상기 1차 회로에 기능적으로 연결되어 제3 매질의 온도가 가변 되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라서 제1 공간(1.1)을 제2 공간(1.2)으로부터 열적으로 분리하거나, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라서 제1 매질(2.1)을 제2 매질(2.2)로부터 열적으로 분리하기 위한 온도 장벽 장치로서,
상기 장치는 제1 항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 개구를 갖는 락 시스템(1.3) 및 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 부력체(3.0)를 포함하고,
상기 락 시스템(1.3) 및 상기 부력체(3.0)는 상기 부력체(3.0)가 상기 락 시스템(1.3)의 상기 개구를 통해 안내되도록 설계되고,
적어도 하나의 실링 부재가 상기 락 시스템(1.3)의 상기 개구에 배치되고, 상기 실링 부재는 상기 제1 매질(2.1)이 상기 제2 매질(2.2)로 통과하는 것을 방지하거나, 상기 제2 매질(2.2)이 상기 제1 매질로 통과하는 것을 방지하거나, 및/또는 상기 제1 매질(2.1) 및 상기 제2 매질(2.2) 사이의 온도 교환을 방지하는 방식으로, 상기 실링 부재는 상기 부력체(3.0)에 대항하여 지지하고,
상기 부력체(3.0)는 상기 제1(1.1)로부터 상기 제2(1.2)를 향한 방향으로 또는 상기 제2(1.2)로부터 상기 제1 공간(1.1)을 향한 방향으로 단열 되게 설계되도록 배열되는 장치.
a) 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 부력 활용 장치를 제공하는 단계,
b) 상기 부력체(3.0)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 설정되는 컨버터를 제공하는 단계를 포함하는 열적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 있어서,
상기 부력체(3.0)의 이동은 무한 레일 시스템(4.0)을 따라 일어나고, 그 결과
상기 열 교환기 및/또는 상기 발열체는 상기 제1 내지 상기 제2 공간 사이의 온도 차이를 유도하고,
상기 평균 밀도 및 상기 부력체(3.0)의 상기 부력은 상기 온도 차이에 의해 증가되거나 감소되고,
상기 부력체(3.0)는 주변 매질의 밀도에 대한 그 평균 밀도에 따라 상기 제1 내지 상기 제2 공간에서 상기 무한 레일 시스템을 따른 이동을 실행하고,
상기 이동은 상기 컨버터에 의해 전기 에너지로 변환되는 것을 특징으로 하는 방법.