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KR20010072910A - 중공형 구체를 제어가능하게 파괴하는 장치 - Google Patents

중공형 구체를 제어가능하게 파괴하는 장치 Download PDF

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KR20010072910A
KR20010072910A KR1020017002326A KR20017002326A KR20010072910A KR 20010072910 A KR20010072910 A KR 20010072910A KR 1020017002326 A KR1020017002326 A KR 1020017002326A KR 20017002326 A KR20017002326 A KR 20017002326A KR 20010072910 A KR20010072910 A KR 20010072910A
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터전토마스에이
콜번데이비드제이
영거스크리스토퍼알
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캐롤린 에이. 베이츠
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

본 발명의 장치는 밀폐체 내에 저장된 중공형 구체를 제어 가능하게 파괴한다. 제1 스크린은 밀폐체 내에서 스크린 지지체 상에 배치된다. 이 스크린에는 최소 중공형 구체 보다 그 메시 크기가 더 작은 구멍이 마련된다. 상기 스크린 지지체는 제1 스크린을 지지하며, 파괴된 중공형 구체의 파편을 통과시킬 수 있도록 빈 영역이 마련된다. 임펠러는 제1 스크린을 가로지르는 임펠러의 동작이 제1 스크린과 접촉해 있는 중공형 구체를 파괴시키도록, 제1 스크린과 접촉한다.

Description

중공형 구체를 제어 가능하게 파괴하는 장치{APPARATUS FOR CONTROLLABLY BREAKING HOLLOW SPHERES}
가압되는 대형 용기 또는 탱크 내에 연료로서 사용하는 산화 가능한 기체를 저장하는 것은 해당 분야에 공지되어 있다. 이러한 기체로는 수소 등이 있다. 또한, 수소는 자동차 연소 기관의 연료 전달 시스템으로서 다량의 유리질 미소기포(미소구체) 내에 저장될 수 있고, 이 수소는 유리질 미소기포가 가열될 때 확산에 의해 방출되며, 이 미소기포는 다시 채워질 수 있다(미국 특허 제4,328,768호, 제4,211,537호, 제4,302,217호에 참조). 유리질 미소기포는 수소로 채워질 수 있으며, 오랜 기간동안 41.4MPa(6,000psig) 이상의 압력으로 수소를 수용할 수 있다[피. 씨. 사우어스(P.C. Souers), 알. 티. 츠가와(R.T. Tsugawa) 및 알. 알 스톤(R.R. Stone)이 연구하여 1974년 7월 12일 로렌스 리버모어(Lawrence Livermore) 연구소 보고서 번호 제UCRL-51-609호에 개시된 "유리질 미소풍선 레이저 표적의 파괴(Fabrication of the Glass Microballoon Laser Target)", 마이클몬슬러(Michael Monsler)와 챨스 헨드릭스(Charles Hendricks)가 연구하여 1996년 4월 1일 버지니아주 알렉산더에서 수송용 연료셀에 관한 TOPTEC 회의에서 발표된 "기체상 수소의 안전하고 경제적인 저장 및 수송에 관한 유리질 미소각질의 매개변수(Glass Microshell Parameters for safe Economical Stroage and Transport of Gaseous Hydrogen)" 참조]
PCT 출원 WO 9821772호에는 이러한 미소기포를 용기내에 저장하는 것에 대해 개시되어 있다. 미소기포는 파괴되어 수소를 방출하고, 이 수소는 출구를 통해 용기로부터 빠져나간다. 이 용기는 분쇄 수단으로 작동하는 스크린에 대해 미소기포를 가압하기 위해, 평탄한 회전 블레이드를 포함한다. 이 스크린은 그 메시의 크기가 미소기포의 95% 이상 되는 크기보다 작다. 상기 블레이드는 미소기포를 포획하고 강제로 스크린에 대해 압압하여 분쇄를 일으키기 위하여, 스크린에 대해 경사를 이루고 있다. 미소기포의 파편은 용기의 제거 가능한 저면부 내에 떨어져 수집된다. 미소기포의 파괴시 생성되는 기체는 출구를 통해 빠져나간 후, 필터 하우징을 통해 여과된다.
본 발명은 중공형 구체를 파괴하는 장치에 관한 것이며, 더 상세히 말하자면 중공형 구체를 저장하며, 중공형 구체가 파괴되었을 때 중공형 구체내에 저장된 물질이 방출되는 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 바람직한 실시예의 분해 사시도이며,
도 2는 본 발명의 입단면도이고,
도 3은 도 2에 포함되는 영역을 확대 도시한 부분 단면도이며,
도 4는 본 발명에 의한 분쇄기 조립체의 분해 사시도이고,
도 5는 상기 분쇄기 조립체의 사시 단면도이며,
도 6은 분쇄 스크린과 본 발명의 임펠러 블레이드 사이의 각을 개략적으로 도시하고,
도 7은 본 발명에 의한 변형예의 분해 사시도이며,
도 8은 도 7에 도시된 실시예의 사시 단면도이고,
도 9는 본 발명에 의한 휴대용 발전기의 개략적인 다이어그램이다.
본 발명은 중공형 구체를 제어 가능하게 파괴하는 장치를 포함한다. 이 장치는 밀폐체와 이 밀폐체의 제1 단부 또는 그 내부에 있는 제1 스크린을 포함한다. 이 스크린은 그 메시의 크기가 최소 중공형 구체의 크기 보다 더 작다. 스크린 지지체는 제1 스크린을 지지하기 위해 제공되며, 파괴된 미소구체의 파편을 통과시키도록 빈 영역이 마련되어 있다. 임펠러는 제1 스크린과 접촉하도록 밀폐체 내에배치되어 제1 스크린을 가로지르는 임펠러의 움직임이 제1 스크린 상에 있는 중공형 구체를 파괴시킨다.
임펠러는 하나 이상의 블레이드를 포함하며, 블레이드의 전연부(leading edge)는 상기 중공형 구체가 이 전연부와 제1 스크린 사이에서 포획되어 부숴지거나 분쇄되도록 형상을 갖는다. 이러한 형상으로는 중공형 구체를 제1 스크린에 대해 결합시키는 경사진 모서리부 등과 같이 여러 적절한 형상이 있다. 다른 적절한 전연부 형상은 곡면 형상(예를 들어, 전연부의 측면이 원형 또는 복합적인 곡면형임)이며, 모서리의 연장부는 제1 스크린과 예각을 형성한다.
도 1에는 본 발명에 의한 연료팩 장치(10)의 바람직한 실시예가 대체적으로 도시된다. 이 연료팩 장치(10)는 수소 등과 같이 산화 가능한 기체를 안전하게 저장하며 필요시 바로 제어 가능하게 방출한다. 연료팩 장치(10)는 재활용 가능한 재료로 제작될 수 있기 때문에, 상기 수소가 모두 소비될 때 연료팩 장치는 재활용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료팩 장치(10)는 유리질 미소 중공형 구체(20) 내에 수용되는 수소를 저장하며, 이 유리질 미소 중공형 구체는 단부 캡 조립체(18)에 부착되어 밀폐체(12)를 형성하는 하우징(13) 내에 배치된다. 본 발명에서, 미소구체(microsphere) 및 미소기포(microbubble)란 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 있다. 유리질 미소구체는 크기가 약 20 내지 85㎛ 인 것이 바람직하다. 수소는 실질적으로 24MPa(3,500psi) 정도의 압력을 받는 상태로 유리질 미소구체에 채워진다. 본 용례의 범위에서는 기체를 참조로 하고 있지만, 본 발명의 장치는 액체를 수용 및 전달하는 데에도 사용될 수 있다고 이해된다. 본 발명에 유용한 미소구체는 미네소타주 세인트 폴에 소재한 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링에서 시판하는 소다-석회-붕규산 유리로 만들어진다. 이 미소구체는 최대 내부 압력을 견딜 수 있는 구형 또는 타원형이다. 동일한 내부 압력을 견딜 수 있는 다른 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다. 이 미소구체의 중요한 특징은 본원에 기술되는 장치(10)에 의해 파괴 가능한 것이다. 또한, 상기 재료는 작업 또는 실용 온도에서는 미소구체 내에 있는 기체 또는 액체를 수용하기 위하여 투과율이 무시할 수 있을 정도로 낮아야 하며, 충전 온도에서는 기체 또는 액체가 매우 잘 투과하여야 한다.
하우징(13)의 대부분은 미소구체(20)를 수용한다. 하우징(13)은
1. 단부 캡(18)으로 밀봉되었을 때, 비교적 낮은 내부 압력인 약 6KPa, 바람직하게는 28KPa(4psi)로 유지 가능하고,
2. 분쇄기 조립체(14)의 동작을 방해하거나, 또는 분쇄 스크린(40)을 향하는 미소기포(20)의 유동을 방해하지 않기 위하여 충분한 강성을 가지며,
3. 수소에 대해 낮은 투과율을 가져, 본 발명의 장치를 사용하는 동안 이 하우징의 벽을 통해 수소의 유효 손실이 방지되는 것을 특징으로 한다. 연료팩 장치(10)를 빠져 나가는 대부분의 수소는 출구(99 : 도 3에 도시)를 통해 빠져나갈 것이다.
선택적으로, 하우징(13)은 또한 미소기포(20)의 함유물을 가열하는 복사 에너지가 가해지는 것을(예를 들어, 반사) 막는다. 또한, 하우징은 비어있을 때 쉽게 부숴질 수 있는 것이 바람직하다. 비어있는 하우징을 부수는 힘은 예를 들어, 0 내지 30 파운드(0 내지 134 뉴튼) 이상으로 비교적 낮다. 하우징을 구성하는 적절한 재료는 알루미늄 및 알루미늄으로 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 플라스틱이다.
하우징(13)과 단부 캡(18)은 멈춤 링(24)에 의해 상호 고정된다. 단부 캡(18)은 도 1에 도시된 바와 같이 멈춤 링(24)의 내부 나사선(28)과 나사 체결하는 외부 나사선(26)을 포함하여 밀폐체(12)를 형성한 후, 주위로부터 그 내부를 밀봉한다. 하우징(13)은 단부 캡(18) 상에 있는 연동 경사면(32)과 일치하고, 하우징(13)에 마찰 접합하는 멈춤링(24)에 의하여 상기 연동면(32)에 대해 정지되는 외측으로 확장된 환형 단부(30)를 구비한다. O형 링(34)은 멈춤 링(24)과 단부 캡(18) 사이에 배치되어 도 3에 도시된 바와 같이 기밀한 밀봉을 제공한다.
도 4에 잘 도시된 바와 같이, 분쇄기 조립체(14)는 밀폐체(12) 내에 배치되며, 스크린 지지체(36), 지지 스크린(38), 원형 분쇄 스크린(40), 임펠러(42) 및 임펠러 구동체(44)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러(42)를 차례대로 회전시키는 임펠러 구동체(44)를 회전시키기 위해, 분쇄기 조립체(14)는 도 1에 도시된 바와 같이, 임펠러 구동체(44)와 확실히 체결하고 분쇄기 조립체를 통해 연장하는 구동 샤프트(46)를 중심으로 한다. 구동 샤프트(46)는 외부 동력원(도시 생략)에 의해 동력을 공급받으며, 이 외부 동력원은 구동 샤프트(46)의 단부(47)에 고정 부착된 커플러(48)와 체결한다. 도 2 및 도 3을 통해서는 명백하게 보이지 않지만, 구동 샤프트(46)와 체결하는 커플러(48) 내에 있는 구멍은 기체가 빠져나가는 것을 허용하지 않는 막힌 구멍(blind hole)이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 커플러(48)는 단부 캡(18)을 관통하고, 와셔(43) 및 멈춤 링(45)에 의해 적소에 고정된다. O형 링(49)은 기체와 미소구체의 파편을 밀봉시킨다. 구동 샤프트(46)는 하우징의 전체 길이로 연장한다. 분쇄기 조립체(14)는 화살표54에 의해 지시되는 일반적인 방향으로 구동 샤프트(46)를 따라 그리고 하우징(13)의 내측면에 대해 활주한다.
분쇄기 조립체(14)는 미소구체(20)와 저장 영역(56) 사이를 분리시키며, 이 저장 영역에는 파괴된 미소구체가 저장될 수 있다. 저장 영역(56)은 온전한 미소구체(20)가 저장되는 영역의 맞은편에 배치된다. 미소구체(20)가 파괴될 때 발생되어 그 수가 증가하는 미소구체의 파편을 수용하기 위해 분쇄기 조립체가 구동 샤프트(46)를 따라 이동함에 따라, 저장 영역(56)은 크기가 증가한다. 미소구체가 저장되는 영역은 미소구체가 점진적으로 더 파괴됨에 따라 축소되어진다.
테이퍼형 코일 스프링(16)은 압축시 전술한 바와 같이 화살표54로 지시되는 일반적인 방향으로 구동 샤프트(46)를 따라 분쇄기 조립체(14)를 이동시키는 편향력을 제공함으로써 미소구체(20)에 대해 분쇄기 조립체를 편향시킨다. 스프링(16)은 분쇄기 조립체(14) 및 단부 캡(18)의 내측면 사이에 배치된다. 해당 기술 범위 내에서 분쇄기 조립체(14)를 저장된 미소구체(20) 방향으로 이동시키는 구동력을 제공 가능한 다른 형태의 스프링 및 그 외의 수단도 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다.
미소구체 분쇄 스크린(40)은 그 스크린의 개구가 가장 작은 미소구체 보다 큰 것이 없도록 메시 크기가 충분히 작다. 미소구체가 25 내지 85㎛일 때, 스크린의 메시 크기는 20 내지 25㎛ 인 것이 바람직하며, 스크린의 메시 크기는 25㎛ 인 것이 가장 바람직하다. 본원에 사용된 "메시 크기" 란 용어는 스크린 또는 체 내에 있는 구멍 또는 개구들의 호칭 치수를 의미하며, 이 구멍 또는 개구는 특정 크기의 미소구체를 통과시킬 정도로 충분히 크다. 예를 들어, 메시 크기가 25㎛ 이면, 크기가 25㎛ 인 미소구체를 통과시킨다. "메시" 란 용어는 해당 분야에서 공지되어 있는 스크린 또는 체의 개구를 지시한다.
지지 스크린(38)은 분쇄 스크린(40) 보다 메시 크기가 더 크며, 파괴된 미소구체의 파편을 지지 스크린을 통해 통과시키기에 충분하다. 또한, 지지 스크린(38)의 메시 크기는 임펠러가 미소구체(20)를 파괴하기 위해 분쇄 스크린(40)을 가로질러 작동할 때, 제1 스크린의 딤플링(dimpling)을 방지하는데 필요한 강성을 제공할 정도로 반드시 충분히 작아야 한다. "딤플링" 이란 용어는 미소구체(20)가 임펠러에 의하여 스크린(40)에 대해 압압되며 파괴되지 않았을 때, 스크린(40)에 대한 불충분한 지지로 인해 야기되는 분쇄 스크긴(40)의 변형을 의미한다. 딤플링된 분쇄 스크린은 시각적으로 인식 가능한 영역으로 특징지어지며, 이 영역에는 스크린에 걸린 온전한 미소구체가 포함된다.
스크린 지지체(36)는 제1 스크린(40)을 가로지르는 임펠러의 동작이 미소구체(20)를 파괴시키도록 제1 스크린(40)과 스크린(38)을 지지하는 크기 및 강도를 갖는다. 지지체가 사용되면, 지지체(36)와 스크린(40 : 사용되는 경우 38도 포함)의 조합이 제1 스크린(40)의 실질적인 딤플링을 방지한다. 스크린 지지체(36)는 개구(60)에 동심적으로 배치되는 동심의 지지 리브 부재(58)와 개구(60)로부터 반경방향으로 연장하는 리브 부재(59)를 구비하여 지지 스크린(38) 및 분쇄 스크린(40) 모두를 위한 지지면(64)를 형성한다. 이 리브 부재(58, 59) 사이에는 파괴된 미소구체의 파편을 저장 영역(56) 내로 통과시키는 빈 영역(62)이 배치된다. 도 4 및 도 5에 도시된 것 이외의 스크린 지지체(36)의 표면 패턴(예를 들어, 벌집형 패턴)이 사용될 수 있다. 이 스크린 지지체는 파괴된 재료를 통과시켜 분쇄 스크린(40)의 막힘을 방지할 정도로 충분한 빈 공간을 구비하는 동시에, 분쇄 스크린(40)과 임의의 지지 스크린(38 : 사용되는 경우)을 충분히 지지하는 구조를구비한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 지지체 주 표면의 약 50% 이상이 빈 영역이다.
임펠러(42) 내에 있는 개구(68)와, 분쇄 스크린 내에 있는 개구(70)와, 지지 스크린(38) 내에 있는 개구(72)와, 그리고 스크린 지지체(36) 내에 있는 개구(60)를 통해 연장하고, 압축시에는 코일(74), 와셔(79)를 통해 연장하여 E형 멈춤 링(78)에 체결되는 임펠러 구동체(44)의 샤프트 부재(66)에 의해 분쇄기 조립체(14)는 단일 유닛으로서 함께 고정되며, 상기 E형 멈춤 링은 구동 샤프트 부재(66)의 말단부에 배치된 환형 슬롯(80)과 체결한다. 스프링(74)은 임펠러를 분쇄 스크린(40)에 대해 편향시키는 힘을 제공한다. 멈춤 링(50)은 분쇄 스크린(40) 및 지지 스크린(38)을 적소에 고정시켜 이 스크린들의 회전을 방지한다. 분쇄 스크린(40)은 코일 스프링(16)의 작동에 의해 저장된 미소구체(20)와 접촉하도록 유지된다.
임펠러(42)는 도 5에 도시된 바와 같이, 임펠러의 중심으로부터 외측 반경방향으로 연장하는 복수개의 블레이드(82)를 포함한다. 도시된 블레이드는 직선형이지만, 여러 상이한 형태로 전방 또는 후방으로 만곡될 수 있다. 4개의 블레이드(82)가 명확히 도시되었지만, 임의의 수의 블레이드 또는 단일 블레이드도 사용될 수 있다. 각 블레이드(82)는 스크린과 맞닿는 실질적으로 평탄한 부분(84)과 경사진 부분을 구비하며, 이 두 부분이 만나 임펠러의 중심으로부터 양 부분(84, 86)의 길이를 따라 이어지는 모서리부(88)를 형성한다. 이 모서리부(88)는 임펠러가 회전할 때 스크린의 개구 내에 포켓팅된 미소기포를 충분히 분쇄할 수있도록 분쇄 스크린(40)과 접촉하거나 근접해 있다. 경사진 부분(86)의 하부면(90)은 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 분쇄 스크린(40)과 예각 α을 형성한다. 이 예각은 약 1 내지 70°인 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 이 예각은 약 45°이다.
샤프트(46)는 임펠러 구동체(44)와 체결한다. 임펠러 구동체(44)는 복수개의 반경방향으로 연장하는 베인(92 :vein)을 포함하고, 이 베인은 임펠러 블레이드의 실질적으로 평탄한 대응 부분(84)과 결합하여 임펠러 블레이드(82)가 분쇄 스크린(40)과 접촉하도록 고정시킨다. 블레이드(82)의 하부면(90)은 분쇄 스크린(40) 부근에 위치한 미소구체에 맞닿는다.
분쇄 스크린(40)은 블레이드의 하부면(90)이 미소구체에 맞닿을 때, 미소구체를 적소에 유지시키는 포켓팅(pocketing) 작용에 의해 미소구체(20)를 고정시킨다. 미소구체의 포켓팅은 분쇄 스크린(40)의 메시 크기와 미소구체(20)의 크기 사이의 관계로 인해 일어난다. 스크린의 개구는 온전한 미소구체의 스크린을 통한 통과를 허용하지 않으면서 온전한 미소구체의 대부분을 고정시킬 정도로 충분히 크다. 미소구체 내의 높은 압력과, 미소구체를 구성하는 취성 재료와, 그리고 분쇄 스크린(40) 상에서의 미소구체의 "포켓팅" 이 복합되어 미소구체(20)가 파괴된다. 미소구체가 분쇄 스크린(40)에 고정되거나 포켓팅 되었다면, 미소구체는 임펠러 블레이드가 일반적인 방향인 화살표94방향으로 미소구체의 대부분에 걸쳐서 그리고 스크린 표면상에서 회전하여 미소구체를 스크린의 개구 방향으로 하향 압압하고, 기계적 응력(예를 들어, 전단응력 및/또는 압축응력)을 가할 때 분쇄된다. 그 후,파괴된 미소구체의 파편은 화살표96로 지시된 방향으로 분쇄 스크린(40), 지지 스크린(38) 및 스크린 지지체(36)를 통해 저장 영역(56)으로 눌려지거나 떨어진다.
미소구체가 파괴될 때, 수소 기체는 밀폐체(12) 내에서 방출된다. 제1 작업예에서, 밀폐체는 매우 잘 산화하는 기체를 안전하게 저장하는 용기를 제공하기 위해 단지 4 psi(28 KPa)의 압력을 받는다. 수소는 단지 필요시에만 방출되어, 도 3에 도시된 기체/입자 필터 조립체(98) 및 출구(99)를 통해 밀폐체로부터 빠져나가도록 허용된다. 조립체(98)는 단부 캡(18)의 개구(102)에 강제로 끼워 맞추어지는 필터 캡(100)을 포함한다. 필터 캡(100)은 입자를 봉쇄하는 재료로 이루어진 2개의 층(도시 생략) 사이에서 유지되는 활성탄을 포함하여, 기체 및 입자의 필터로서 기능을 한다. 기체는 밀폐체(12) 내에 모든 파괴된 유리질 파편을 유지시키고, 유동으로부터 유해한 기체를 제거하도록 여과되며, 그 후 수소 기체는 이후 용도에 사용하기 위해 관을 통해 이송된다.
도 7 및 도 8에는 도시된 장치(110)는 본 발명에 의한 연료팩의 변형예이다. 장치(110)는 도 8에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 6에 도시된 실시예와 유사한 미소구체(20)를 저장하는 밀폐체(112)를 포함한다. 또한, 장치(110)는 미소구체(20)를 분쇄하는 분쇄기 조립체(114)를 포함한다. 장치(110)는 분쇄기 조립체가 구동 샤프트를 따라 축방향으로 이동하지 않는다는 점에서 도 1 내지 도 6에 도시된 실시예와 다르다. 그 대신에, 미소구체는 분쇄기 조립체(114)에 중력으로 공급되거나, 이 미소구체는 실린더 내에 있는 대부분의 미소구체를 실린더의 제1 단부 방향으로 밀거나 또는 모이게 하는 가압 수단(pushing means : 해당 기술범위에 포함)을 사용함으로써 스크린 방향으로 강제적으로 안내된다. 이러한 가압 수단은 예를 들어, 압축 스프링에 의해 구동되는 플런저(plunger), 압력을 받는 유체에 의해 구동되는 피스톤, 또는 래칫(ratchet) 기구이다. 이러한 가압 수단은 미소구체를 분쇄기 조립체 방향으로 안내하기 위해 중력에 의존하는 것을 피할 수 있다.
밀폐체(112)는 하우징(113) 및 단부 캡 조립체(118)를 포함한다. 하우징(113)은 미소구체(20)를 수용한다. 하우징(113)은 부숴질 수 있는 것이 바람직하며, "부숴질 수 있는" 이란 용어는 도 1 내지 도 6에 관하여 정의된 바와 같다. 밀폐체(112)를 형성하기 위해, 단부 캡(118)은 하우징(113)의 개방 단부(117) 부근에 삽입된다. 하우징(113) 및 단부 캡(118)은 4개의 동심적으로 배치되어 있는 단부 캡(118)의 돌출 탭(116)에 의해 결합되며, 이 돌출 탭은 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 하우징(113)의 내측 표면에 있는 각 슬롯(120)과 체결한다. 단부 캡 조립체(118)의 환형 슬롯(124) 내에 배치되는 O형 링(122)은 기체 밀봉을 제공한다.
분쇄기 조립체(114)는 단부 캡 조립체의 상단부(126)에 밀폐체(112)의 종방향 축선을 따라 고정적으로 배치된다. 분쇄기 조립체(114)는 하우징(113) 내에 저장되는 미소구체(20)와 이 미소구체의 파괴된 파편을 저장하는 저장 공간(138) 사이를 분리한다. 분쇄기 조립체(114)는 밀폐체(112)에 고정적으로 배치되기 때문에, 미소구체(20) 저장용 공간과 파괴된 미소구체의 파편 저장용 공간(138)은 미소구체가 파괴될 때 그 크기가 축소되지도 증가되지도 않는다.
도 7에 도시된 바와 같이, 분쇄기 조립체(114)는 임펠러(139), 분쇄 스크린(140), 제1 지지 스크린(142), 제2 지지 스크린(144) 및 스크린 지지체(146)를 포함하고, 이들은 임펠러 구동체(148)가 구동 샤프트(150)에 결합됨으로써 함께 고정되며, 구동 샤프트는 임펠러, 스크린(140, 142, 144) 및 스크린 지지체(146)의 중앙에 배치된 개구를 통해 연장한다. 임펠러 구동체(148)의 저부에 있는 하나 이상의 작은 핀(도시 생략)은 임펠러(13) 내에 있는 구멍(도시)과 체결한다. 구동 샤프트(150)의 중앙 구멍에 나사(도시 생략)를 하향 나사 체결함으로써, 임펠러 구동체(140)가 구동 샤프트(150)로부터 축방향으로 분리되는 것이 방지된다. 이는 스크린(140)에 대해 임펠러 블레이드를 고정시킨다. 스크린 멈춤 링(154)은 단부 캡 조립체(118)에 압압되어, 임펠러(139)가 회전될 때 분쇄 스크린이 회전하는 것을 방지한다. 임펠러 구동체는 구동 샤프트(150)가 회전될 때 임펠러를 회전시키기 위하여, 임펠러 내에 있는 키 슬롯(도시 생략)과 체결하는 키(도시 생략)를 구비한다. 구동 샤프트(150)는 밀폐체(112)의 외부에 배치되는 커플러(152)에 연결된다.
분쇄 스크린(140)은 메시 크기가 약 20 내지 25㎛ 인 것이 바람직하며, 약 25㎛ 인 것이 가장 바람직하다. 제1 지지 스크린(142)은 분쇄 스크린 보다 메시의 크기가 더 크며(예를 들어, 구멍의 호칭 치수는 약 600㎛ 이거나 30 메시임), 제2 지지 스크린(144)은 제1 지지 스크린 보다 메시의 크기가 더 크다(예를 들어, 구멍의 호칭 치수는 약 707㎛ 이거나 ASTM E11-95에서 정의된 바와 같은 24 메시임). 스크린 지지체(146)는 스크린(140, 142, 144)과 면하는 표면(156)의 50% 이상이 개구 또는 빈 공간으로 마련될 수 있다. 도시된 바와 같이, 스크린 지지체(146)는 외측 반경방향으로 연장하는 리브 부재(160)에 의해 연결되는 복수개의 상이한 크기의 동심 리브 부재(158)를 포함한다.
임펠러(139)는 도 1 내지 도 6에 도시된 블레이드(82)와 그 구조가 유사한 복수개의 블레이드(162)를 포함한다. 각 블레이드(162)는 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 분쇄 스크린(140)과 동일한 예각 α을 형성한다.
미소구체(20)가 분쇄될 때, 미소구체의 파편은 스크린과 스크린 지지체를 통해 저장 영역(138) 내로 떨어진다. 방출된 기체는 기체 퇴출용 구멍(170)을 통해 필터(172)로 빠져나간 후, 기체 출구(174)를 통해 밀폐체(112)를 빠져나간다. 상기 필터는 필터 봉쇄 재료에 의해 양 측면에서 봉쇄되는 활성탄으로 주로 이루어진다. O형 링(171)은 구동 샤프트(150)과 하우징(118) 사이를 밀봉한다.
본 발명의 발전기(180)가 도 9에 개략적으로 도시된다. 이 발전기는 상술한 바와 같은 연료팩(10) 또는 연료팩(110)을 포함하며, 이 연료팩은 각각 커플러(48) 또는 커플러(152)를 통해 기계적 에너지원(182)에 연결된다. 기계적 에너지원(182 : 예를 들어, 전동기)은 커플러를 회전시키고, 이로 인해 연료팩의 구동 샤프트를 회전시켜 연료팩 내에 있는 미소구체(20)를 분쇄시키며 압력을 받고 있던 수소 기체를 해방시킨다. 기계적 에너지원(182)은 재충전 가능한 배터리(184)로부터 전기 에너지를 받을 수 있다.
수소 기체는 연료팩(10)에서 연료셀(186 : fuel cell)쪽으로 유동하며, 연료셀은 이 수소기체의 산화로부터 전기를 발생시킨다. 연료셀에 의해 생성되는 전기에너지는 배터리(184)를 재충전시켜 전기 에너지를 저장하고, 전기 부하(188)에 대해 전류를 제공한다. 임의의 DC/AC 인버터(190 : inverter)는 연료셀의 전기 에너지 출력을 부하(188)에 사용하기 위한 교류로 변환시키기 위해 제공된다.
적절한 전자 제어기(185)는 재충전 가능한 배터리 공급 장치, 전류 모니터(189) 및 연료셀로부터 입력 신호를 받는다. 전류가 더 많이 또는 더 적게 요구됨에 따라, 상기 제어기는 연료팩을 구동시키는 기계적 에너지원에서 전류를 증가시킴으로써 수소의 유동을 증가 또는 감소시킨다. 연료셀(186)의 전류 발생량은 연료팩으로부터 연료셀로 유동하는 수소와 직접적으로 관련되어져 있다.
전자 제어기는 배터리 충전기(183)에 의해 재충전 가능한 배터리(184)를 충전시키기 위해, 연료셀이 작동하는 동안 스위치(191)를 작동시킨다. 수소의 흐름을 발생시키기 위해, 스위치(192)는 폐쇄되어 배터리로부터 기계적 에너지원에 전류를 공급한다. 도 9에 도시된 다양한 구성 요소들은 세부적으로 도시되지 않았지만, 이 구성 요소들의 특징 및 구조는 해당 기술 범위 내에 있다.
제어 수단(185)은 연료셀(186)의 출력 전압값을 측정하는 동시에 전기 부하(188)에 전류를 공급한다. 이 전압값은 제어 수단(185)에 포함되어 있는 내부 참조 전압과 비교된다. 만약 연료셀의 전압이 이 참조 전압보다 낮으면, 수소의 유동을 증가시킴으로써 연료셀의 출력 전류를 증가시키도록 기계적 에너지원(182)이 제어 수단(185)에 의해 작동된다. 출력 전압이 상기 참조 전압값을 초과할 때, 제어 수단은 기계적 에너지원을 정지시켜 참조 전압 정도로 출력 전압을 떨어뜨린다. 이러한 과정은 반복되며, 기계적 에너지원의 작동/정지 시간을 제어함으로써출력 전류에 변화를 줄 수 있다.
도 9에 도시된 발전기는 원거리에 위치한 곳에 전기를 제공하는데 사용될 수 있다. 재충전 가능한 배터리는 연료셀이 전체 용량으로 작동할 때 까지 외부 장치에 전력을 공급할 수 있거나, 또는 연료셀의 출력을 증대시킬 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 장치와 유사한 본 발명에 따른 장치의 원형이 제작되었으며, 이 수소 연료팩의 수소 기체 출력은 3볼트의 공칭 출력을 갖는 시험 연료셀과 일치하였다. 연료셀의 추정 효율은 약 50% 이었다. 본 발명에 따른 연료팩은 3,500psi(24Mpa)를 받는 수소를 함유한 미소기포 약 75㎖를 수용하였다. 연료셀의 전기 출력 단자는 한 쌍의 확성 스피커가 연결된 휴대용 컴팩트 디스크(CD) 플레이어에 연결된다. 이 CD플레이어 및 확성 스피커는 약 2와트의 전력을 소비하며, 약 2시간 동안 상기 연료셀과 연료팩의 조합으로 구동한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 그 형태와 세부 사항이 변형될 수 있다고 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. 중공형 구체를 제어 가능하게 파괴하는 장치로서,
    a) 밀폐체와,
    b) 메시 크기가 최소 중공형 구체 보다 더 작은 구멍이 마련되며 상기 밀폐체의 제1 단부에 또는 그 안에 있는 제1 스크린과,
    c) 중공형 구체가 파괴되는 동안 제1 스크린이 중공형 구체를 고정시킬 수 있도록 제1 스크린을 지지하며, 파괴된 중공형 구체의 파편을 통과시킬 수 있도록 빈 영역을 갖는 스크린 지지체와,
    d) 제1 스크린을 가로질러 이동할 때, 제1 스크린 상에 있는 중공형 구체를 파괴시킬 수 있는 형상을 가지고 제1 스크린 바로 가까이에 있는 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 스크린과 스크린 지지체 사이에 배치되고, 그 메시 크기는 파괴된 중공형 구체의 파편이 스크린 지지체를 통과할 수 있도록 제1 스크린 보다 충분히 더 크며, 상기 임펠러가 중공형 구체를 파괴시키기 위해 제1 스크린을 가로질러 이동할 때 제1 스크린의 딤플링이 실질적으로 감소 또는 방지되도록 구성되는 지지 스크린을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중공형 구체는 기체로 채워지고, 상기 밀폐체는 기체출구를 더 포함하며, 이 밀폐체는 장치를 빠져나가는 기체의 대부분이 상기 기체 출구를 통해 빠져나가도록 기체에 대한 투과성이 충분히 낮은 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 중공형 구체와 접촉하도록 제1 스크린을 위치시키는 힘을 제공하기 위해, 하우징 내에 배치되는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 중공형 구체는 밀폐체의 섹션에 배치되며, 상기 밀폐체의 섹션은
    ⅰ) 밀봉되었을 때, 내부 압력이 약 6KPa 이상으로 유지 가능하며,
    ⅱ) 임펠러의 동작 또는 제1 스크린을 향하는 중공형 구체의 유동을 방해하지 않도록 충분한 강성을 띠고,
    ⅲ) 0 내지 130 뉴튼의 힘으로 쉽게 부숴지는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 밀폐체는 중공형 구체가 저장되는 제1 저장 섹션과 파괴된 중공형 구체가 저장되는 제2 저장 섹션을 포함하며, 상기 제1 스크린, 스크린 지지체 및 임펠러는 상기 제1 및 제2 섹션 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 임펠러는 제1 스크린과 접촉하는 하나 이상의 블레이드를 포함하며, 상기 블레이드는 제1 스크린과 예각을 형성하는 모서리를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항에 있어서, 중공형 구체가 파괴될 때, 상기 제1 스크린, 스크린 지지체 및 임펠러는 임펠러의 회전 축선을 따라 제1 섹션으로 이동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 스크린, 스크린 지지체 및 임펠러는 임펠러의 회전 축선을 따라 고정되며, 상기 중공형 구체는 가압 수단에 의해 제1 스크린과 접촉하도록 유지되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가압 수단은 중력, 스프링 부하형 플런저, 압력을 받는 유체에 의해 구동되는 피스톤 및 래칫 기구 등으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서, 밀폐체는 제1 스크린과 접촉하는 중공형 구체를 수용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 미소구체의 입자 크기의 범위는 제1 스크린의 스크린 개구의 크기와 관련되어지며, 스크린 개구의 크기는 상기 입자 크기의 범위 중 최소 입자 크기 보다 더 작고, 상기 입자 크기의 범위 내에서 최대 입자 크기는 스크린 개구 내에 적어도 순간적으로 수용될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 미소구체는 대기압 보다 큰 압력에서 수소로 채워지는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 임펠러는 스프링에 의해 제1 스크린에 대해 편향되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 기체가 수소인 제3항의 장치와, 이 수소가 사용되는 연료셀의 조합체.
  16. 제17항에 있어서, 연료셀에 연결되는 재충전 가능한 배터리를 더 포함하여 상기 배터리가 연료셀에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 연료셀 조합체.
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