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KR101192899B1 - 가압 증기 사이클 액체 증류 - Google Patents

가압 증기 사이클 액체 증류 Download PDF

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KR101192899B1
KR101192899B1 KR1020057008588A KR20057008588A KR101192899B1 KR 101192899 B1 KR101192899 B1 KR 101192899B1 KR 1020057008588 A KR1020057008588 A KR 1020057008588A KR 20057008588 A KR20057008588 A KR 20057008588A KR 101192899 B1 KR101192899 B1 KR 101192899B1
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데이비드 에프. 베드나렉
제이슨 에이. 데머스
티모시 피. 듀간
제임스 잭슨
스코트 에이. 레오나드
데이비드 더블유. 맥길
킹스톤 오웬스
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데카 프로덕츠 리미티드 파트너쉽
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Abstract

본 발명의 실시예는 액체를 증류하기 위한 새로운 가압식 증기 사이클에 대한 것이다. 본 발명의 몇몇 실시예에 있어서, 미처리 액체를 수용하는 입력부, 액체를 증기로 변형하기 위해 입력부에 연결된 증발기, 증기를 수집하는 헤드 챔버, 내부 구동 샤프트 및 증기를 압축하기 위해 회전 가능한 하우징을 갖춘 편심 회전자를 갖춘 증기 펌프 및 압축된 증기를 증류된 생성물로 변형시키기 위해 증기 펌프와 연통하는 응축기 요소를 포함하는 액체 정화 시스템은 개시된다. 본 발명의 다른 실시예는 매우 효율적인 시스템을 제조하기 위한 열 처리 및 다른 프로세스의 개량에 관한 것이다.
Figure R1020057008588
증기 사이클, 증발기, 헤드 챔버, 구동 샤프트, 응축기

Description

가압 증기 사이클 액체 증류{PRESSURIZED VAPOR CYCLE LIQUID DISTILLATION}
본 발명은 액체 정화에 관한 것이고, 보다 구체적으로 회전식 하우징을 갖춘 액체 링 펌프를 포함하는 증기 압축 증류에 의한 액체 정화에 관한 것이다.
신뢰할 수 있는 깨끗한 물의 공급원(source)이 인류의 큰 부분(segment)에서 벗어난다. 예를 들어, 캐나다의 국제 개발 기관은 약 12억 사람들이 안전한 음료수를 입수하지 못한다고 보고한다. 발표된 보고서는 해마다 무수한 죽음이 물에 관련된 질병 탓으로 돌린다. 많은 물 정화 기술이 카본 필터, 염소 처리, 저온 살균법 및 역 삼투를 포함하여 공지되어 있다. 많은 이들 기술은 물 품질에서의 다양성에 의해 상당히 영향을 받으며, 개발 도상에 있는 세계 및 어느 곳에서의 물 공급에서 발견될 수 있는 박테리아, 바이러스, 유기물, 비소, 납, 수은 및 농약과 같은 광범위한 공통의 오염물질에 역점을 두어 다루지 않는다. 이들 시스템들 중 몇몇은 필터 또는 화학 약품과 같은 소모품 공급의 증대를 요구한다. 게다가, 이들 기술들 중 몇몇은 중요한 기간 시설과 숙련된 작업자 모두를 요구하는 집중된 대규모 물 시스템에만 아주 적합하다. 소모품 및 일정한 유지를 필요로 하지 않고 신뢰 가능한 깨끗한 물을 생산할 수 있는 능력은 특히 개발 도상에 있는 세계에서 매우 바람직하다.
물을 정화시키는 증기 압축 증류법의 사용은 잘 알려져 있고 많은 이들 관심사에 역점을 두어 다뤄질 수 있다. 그러나, 빈약한 재원, 제한된 기술 자산 및 낮은 인구밀도는 개발 도상에 있는 세계의 대부분에서 집중된 대규모 물 시스템을 만들 수 없게 하고, 또한 증기 압축 증류 시스템을 작동시키는 적정하고 알맞으며 신뢰 가능한 동력의 이용도를 제한할 뿐만 아니라 이런 시스템을 적절하게 유지시키는 능력을 저해한다. 이러한 환경에서, 효율성 및 생산성을 증가시키는 반면에 시스템 작동을 위한 필수적인 동력 경비와 요구된 시스템 유지의 총액을 감소시키는 향상된 증기 압축 증류 시스템과 부속 구성 요소가 해결책을 제공할 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 소형이고 저렴하고 쉽게 유지될 수 있는 액체 정화 시스템이 제공된다. 일 실시예는 바람직하게 증류 시스템의 유체 압력 경계 내에서 기밀식으로 밀봉된 자석 및 모터 회전자를 구비하는, 내연 기관 또는 외연 기관과 함께, 액체 링 펌프와, 액체 링 펌프, 모터 및 회전자를 회전시키는 단일 연속 샤프트를 갖춘 완전 회전식 하우징과, 회전식 하우징을 지지하는 제2 샤프트를 구비한 증류 장치를 갖는다.
다른 실시예는 증류기(still)의 헤드 증기 공간 내에서 완전 회전식 하우징 내에 내장된 액체 링 펌프를 갖춘 증류 장치를 갖는다. 시스템의 열 공급원은 증기 단계 동안 에너지 효율을 최대화하도록 다중 라인 열 교환기를 통해 재지향될 수 있다. 백워시 라인(back-wash line)은 흡입 내의 유일한 플립 필터가 충돌하지 않도록 그리고 열교환 네트워크 내로 열을 추가하도록 증발기/응축기의 헤드 챔버로부터 흡입로 지향될 수도 있다. 또한, 안개를 제거하는 방법은 증기 내에 비말 동반된 오염된 액체의 물방울을 제거하도록 액체 링 펌프 구성 요소에 병합될 수도 있어서, 그들이 응축기를 따라 운반되는 것과 그에 의해 정화된 제품을 오염시키는 것을 방지한다.
다른 특정한 실시예는 내연 기관 또는 외연 기관과 액체를 액체 링 펌프의 챔버 내로 빨아올리도록 하부 저장소 내의 사이펀 펌프와 함께, 액체 링 펌프와, 액체 링 펌프, 모터 및 회전자를 회전시키는 단일 연속 샤프트를 갖춘 완전 회전식 하우징과, 회전식 하우징을 지지하는 제2 샤프트를 구비한 증류 장치를 갖는다. 이 결과는 액체를 정화하기 위한 고효율적이고 쉽게 접근 및 유지되며 상대적으로 단순하고 값싼 시스템이었다.
또 다른 것은 전력 용량을 발생시키기 위하여 연료를 연소시키는 버너를 포함하는 열 사이클 기관에 의해 전기 발전기를 구동하는 단계와, 물 정화 장치에 동력을 공급하기 위하여 전기 발전기의 전력 용량의 적어도 일부분을 채택하는 단계와, 물 정화 장치의 입력부로 물 공급원을 제공하는 단계와, 물을 정화시키기 위하여 요구된 전력량을 감소시키도록 물 정화 장치에 열을 공급하는 열 사이클 기관의 열 출력을 이송하는 단계를 포함하는 물로부터의 오염물질을 제거하는 방법이다. 또한 실시예는 추가적으로 열을 버너의 배기 가스로부터 물 공급원으로 전송하는 단계와, 열손실을 감소시키도록 물 정화 장치를 둘러싸는 덮개를 가열하는 단계와, 처리되지 않은 물을 증발시키는 단계와, 증발된 물을 증류된 물 제품 내로 응축시키는 단계 중 하나 또는 이 모두를 포함한다.
또 다른 실시예는 폐쇄 위치를 갖는 힌지된 아암과 가압된 도관에 연결된 포트를 덮도록 형상화된 이동 가능한 멈춤부를 포함하는 배압 조절기를 채택하고, 멈춤부는 아암에 부착된 리테이너에 의해 유지되고, 멈춤부는 아암이 폐쇄 위치에 있을 때 포트에 인접하여 위치되며, 아암은 가압 도관이 설정 지표(set point)를 초과할 때 폐쇄 위치로부터 멀리 떨어져 있고, 아암은 도관 내의 압력이 설정 지표보다 작을 때 폐쇄 위치에 있다.
시스템의 부가적인 장점 및 특정한 태양은 아래의 바람직한 실시예의 도면 및 수반하는 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 확인될 수 있을 것이다.
본 발명의 전술한 특징은 이하에서 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1a는 본 발명에 따라 설계된 전체 시스템의 가능한 실시예의 개념적 공정 계통도이다.
도1b는 본 발명의 실시예에 따른 도1a에 도시된 시스템과 함께 사용하기 위한 동력원의 개략 블록도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부품 동력 유닛 및 물 정화 유닛을 도시한다.
도3은 본 발명에 따른 물 정화를 위하여 전력 및 열을 제공하기 위한 보조 동력 유닛의 개략 블록도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 일체형 동력 유닛/물 정화 시스템의 개략도 이다.
도5a는 입력부, 베인 및 베인들 사이의 챔버용의 지지 구조와 구동 샤프트의 회전을 도시하는 특정한 실시예에 따른 회전자 및 고정자의 단면도 및 평면도이다.
도5b는 입력부 및 출력부, 베인, 하우징 유닛 내의 편심 형상부 및 구동 샤프트를 위한 지지 구조를 도시하는, 도5a에 도시된 실시예에 대응하는 회전자 및 고정자의 측면 평면도이다.
도5c는 입력부 및 출력부, 베인, 하우징 유닛 내의 편심 형상부 및 구동 샤프트를 위한 지지 구조를 도시하는, 도5a 및 도5b에 도시된 실시예에 대응하는 회전자 및 고정자의 평면도이다.
도5d는 베인, 구동 샤프트 및 베어링을 도시하는 도5a, 도5b 및 도5c에 도시된 실시예에 대응하는 회전자 및 고정자의 단면도이다.
도6a는 본 발명의 특정한 실시예에 따른 액체 링 펌프의 개략도이다.
도6b는 다수의 베인들 및 베인들 사이의 챔버와 각 개별 챔버 내의 흡입 및 배출 구멍을 도시하는 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 평면도이다.
도7a는 고정 흡입구와 회전 구동 샤프트, 회전자 및 하우징 유닛을 도시하는 본 발명의 특정한 실시예에 따른 액체 링 펌프의 상세도이다.
도7b는 방출 오리피스로부터 흡입 오리피스를 분리하는, 본 발명의 특정한 실시예에 따른 액체 링 펌프의 고정부와 회전부 사이에 존재될 수 있는 밀봉부의 도면이다.
도8은 정전용량 센서(capacitive sensor)를 도시하는, 본 발명의 실시예에 따른 액체 링 펌프의 단면도이다.
도9는 편심 회전자, 회전자 베인, 베어링을 갖춘 구동 샤프트, 액체 링 펌프용 회전 하우징 유닛, 증류기 하우징, 및 사이클론 효과를 도시하고 수증기(steam)로부터 안개 및 물방울을 제거하는 본 발명의 실시예에 따른 액체 링 펌프의 단면도이다.
도10은 시스템의 압력 및 유체 경계 내에서 수납되는 기밀식으로 밀봉된 모터 회전자 및 자석, 구동 샤프트, 회전자 및 물방울이 파생되어 펌프의 기본 물 레벨로 돌아가 재순환되는 회전 하우징 및 하부 저장소로부터 펌프의 주 챔버 내로 물을 끌어올리기 위한 사이펀 펌프를 도시하는 본 발명에 따른 액체 링 펌프의 특정한 실시예의 단면도이다.
도11은 도10에 도시된 밀폐식으로 밀봉된 모터 회전자의 상세도이다.
도12a는 수증기 입력 및 출력 포트를 도시하는, 도10의 실시예에 따른 실시예에 따른 외부 펌프 하우징 및 모터 하우징의 도면이다.
도12b는 모터 하우징 내의 모터, 모터 샤프트 및 회전자, 및 하부 저장소를 도시하는, 도12a의 단면도이다.
도12c는 모터 하우징 내의 모터, 모터 샤프트 및 회전자, 및 하부 저장소에 연결되는 유체 라인을 다시 도시하고, 사이펀 펌프가 바로 보이는, 다른 평면을 통한 도12a의 다른 단면도이다.
도13은 사이펀 펌프, 주변 베어링, 및 유체 라인을 보다 구체적으로 도시하는 도12c의 하부 저장소의 상세 단면도이다.
도14a는 가열기가 헤드부에서 액체를 수증기로 증발시킨 후에 수증기가 압축기 및 응축기 내로 유동하고, 그 후에 응축된 제품이 회복될 수 있는, 증류기의 코어 내로 연속하는, 열 교환기 내로 펌프를 관통하는 흡입을 도시하는 본 발명의 실시예에 따른 전체 시스템의 개략도이다.
도14b는 공급원 및 블로우다운 유체 라인들 사이에 외부 연결 밸브를 도시하는, 증발기 헤드와 블로우다운(blowdown) 레벨 센서 하우징의 상세 개략도이다.
도15는 엘라스토머 튜브 및 쉘 밀봉부를 갖는 증발기/응축기의 다른 실시예를 도시한다.
도16a는 특정한 실시예에 따른 개개의 가열층 및 리브가 유체 분배 매니폴드에 연결 및 부착하기 위하여 입력 및 출력 매니폴드 및 볼트와 함께 도시되어 있는, 증류기의 증발기/응축기 코어부의 단면도이다.
도16b는 리브가 어떻게 효과적으로 액체/응결 층으로부터 수증기/증기를 분할하는 지를 도시하는, 도16a에 따른 증발기/응축기 코어부의 상세한 단면도이다.
도17a는 유체 분배 매니폴드의 펌프측의 제1면의 도면이다.
도17b는 유체 분배 매니폴드의 펌프측의 제2 면의 도면이다.
도17c는 유체 분배 매니폴드의 증발기/응축기측의 제1면의 도면이다.
도17d는 유체 분배 매니폴드의 증발기/응축기측의 제2면의 도면이다.
도18a는 전체 시스템에서 다양한 유동 라인과 부품을 연결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 커플러의 측면도이다.
도18b는 도12a에 도시된 커플러의 평면도이다.
도19a는 다중 라인 효과를 생성하도록 납땜된 다중 2채널 열 교환기를 도시한 본 발명의 특정 실시예에 따른 다중 라인 열 교환기의 개략도이다.
도19b는 제품 흐름과 블로우다운 흐름으로부터의 열이 서로는 아니지만 냉각 흡입구와 교환되는 단일 3채널 열 교환기를 도시한 본 발명의 특정 실시예에 따른 대체 열 교환기이다.
도20은 냉각 센서를 사용하는 시스템의 압력 측정을 도시한 시스템의 개략 전체도이다.
도21a는 각각의 필터 유닛이 중심축에 대해 피봇 조인트 주위로 회전하는, 필터 유닛을 통해 유동하는 흡입 흐름과 블로우다운 흐름을 갖는 플랩 필터의 도면을 도시한다.
도21b는 다중 유닛 플랩 필터의 대체 실시예 및 플립 필터 하우징을 도시한다.
도22는 필터를 물리적으로 뒤집을 필요없이 유닛의 역류가 가능한 플립 필터의 개별적 유닛을 통해 물 유동을 변경하기 위한 수동 스위치의 도면을 도시한다.
도23a는 본 발명의 실시예에 따른 배압(backpressure) 조절기의 측면도이다.
도23b는 도23a에 도시된 배압 조절기의 대각도이다.
도24a는 본 발명의 실시예에 따른 수직으로 위치된 포트를 구비한 배압 조절기의 측면도이다.
도24b는 도24a에 도시된 배압 조절기의 대각도이다.
도25는 본 발명의 실시예와 일치하는 공정으로 실행되는 배압 조절기의 개략 도이다.
도26a는 본 발명의 실시예에 따른 배압 조절기의 대각도이다.
도26b는 배압 조절기의 포트의 노치를 도시하는 도26a의 단면 C의 상세도를 도시한다.
도27a는 본 발명의 실시예와 일치하는 배압 조절기의 절취 측면도이다.
도27b는 오리피스(1510)의 작은 개구의 존재를 나타내는 도27a의 영역(E)의 확대 도면이다.
도28은 REGENAIR R4 시리즈의 재생 블로어의 도면이다.
[정의] 첨부된 도면과 본 설명에서 사용될 때, 다음의 용어는 본 명세서에서 달리 요구되지 않으면 표시된 의미를 갖는다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 "정화"라는 용어는 특정 수준 이하로 하나 이상의 오염물의 농도를 실질적으로 감소시키거나 또는 이와 달리 특정 범위 내로 하나 이상의 오염물의 농도를 실질적으로 변경하는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용된 "특정 수준"이라는 용어는 특정 적용예용으로 사용자에 의해 형성된 바와 같이 임의 원하는 수준의 농도를 의미한다. 특정 수준의 일 예는 산업적 또는 상업적 처리를 수행하기 위해 유체의 오염 수준을 제한할 수 있다. 예는 화학 반응(예로써, 중합)에서 산업적으로 상당한 양을 생성할 수 있도록 허용할 수 있는 수준으로 용매 또는 반응물의 오염 수준을 제거하는 것이다. 특정 수준의 다른 예는 안전 또는 보건 상의 이유로 정부 또는 정부간 규약에 의해 설명된 바와 같이 유체의 임의 오염 수준일 수 있다. 예는 마시거나 또는 특정 보건 또는 의료 적용예용으로 사용되도록 물에서 하나 이상의 오염물의 농도를 포함할 수 있고, 그 오염 수준은 세계 보건 기구 또는 미국 환경 보호 기구와 같은 기관에 의해 설명된다.
본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따른 전체 시스템의 개념적인 흐름도는 도1a에 도시되고, 액체 유동 경로가 화살표로 표시된다. 이러한 형태의 실시예에서, 액체는 흡입구(00)에서 교환기(400) 안으로 시스템을 통해 유동하고 여기서 교환기(400)는 응측기(200), 헤드(300) 및 내연 또는 외연 기관과 같이 전력원으로부터의 (도시되지 않은) 배기를 포함하는 적어도 하나의 복수의 공급원으로부터 열을 수용한다. 액체는 열 교환기(400)를 지나 섬프(500) 안으로 및 응측기(200)와 열접촉하는 코어(600) 안으로 연속적으로 유동한다. 코어(600)에서, 액체는 부분적으로 기화된다. 코어(600)로부터, 증기 통로는 압축기(100)와 연통하는 헤드(300) 안으로 및 그로부터 응측기(200) 안으로 진행한다. 증기가 응축된 후, 액체는 응측기(200)로부터 열 교환기(400)를 통해 최종적으로 배기 구역(700) 및 그 후 최종 증류된 제품으로 진행된다.
전력원(800)은 전체 시스템에 동력을 주는데 사용된다. 전력원(800)은 특히 압축기(100)가 액체 링 펌프와 같이 흐름 펌프인 경우 압축기(100)를 구동시키는데 사용되는 (도시되지 않은) 모터(150)에 결합될 수 있다. 전력원(800)은 또한 도1a에 도시된 시스템의 다른 요소에 전기 에너지를 제공하는데에 사용될 수 있다. 전력원(800)은 예를 들어, 전기 출구, 표준 내연 기관(IC) 발전기 또는 외연 기관 발전기일 수 있다. IC 발전기와 외연 기관 발전기는 장점적으로 도1b에 도시된 바와 같이 전력 및 열 에너지 모두를 생성하고, 여기서 기관(802)은 기계 및 열 에너지 모두를 생성한다. 기관(802)은 내연 기관 또는 외연 기관일 수 있다. 영구 자석 브러시리스 모터와 같은 발전기(804)는 기관(802)의 크랭크축에 결합되고 기관(802)에 의해 생성된 기계 에너지를 전력(806)과 같이 전기 에너지로 변환시킨다. 기관(802)은 또한 배기 가스(808) 및 열(810)을 생성한다. 배기 가스(808) 및 열(810)의 형태로 기관(802)에 의해 생성된 열 에너지는 장점적으로 열을 시스템에 제공하는데 사용될 수 있다.
이와 달리, 전력 발생기(800)로부터의 열은 외부 하우징과 개별 증류기 부품(still components) 사이에 놓인 증류기를 둘러싸는 절연된 공동 안으로 기관 배기 가스를 보냄으로써 재포획될 수 있다. 이러한 실시예에서, 배기 가스는 증발기(600)에 진입할 때 공급원 액체를 가열하는 핀식(finned) 열 교환기를 따라 송풍된다.
도1a에서 다시, 전력원(800)은 바람직하게는 스털링(Stirling) 기관 발전기와 같은 외연 기관 발전기이다. 스털링 기관은 배기 가스와 방사열의 형태로 열 에너지 출력을 생성한다. 스털링 기관의 배기 가스는 전형적으로 100℃ 내지 300℃의 비교적 고온이고, 스털링 기관에 의해 생성된 열 에너지의 10 내지 20%를 나타낸다. 스털링 기관에 의해 생성된 배기는 전형적으로 C02, N2 및 물을 포함하는 청결한 배기이다. 스털링 기관의 냉각기는 기관 주위의 환경으로 기관에 의해 생성된 열을 토출하는데 사용될 수 있다. 기계적 동력을 발전기에 의해 전력으로 변 환하도록 제공되는 스털링 싸이클 기관과 같은 외연 기관의 사용은 2003년 3월 25일에 허여된 미국 특허 제6,536,207호(카멘 등)에 상세히 설명되고, 본 명세서에 참조로 병합된다. 스털링 싸이클 기관의 양호한 실시예와 관련된 추가 정보의 경우, "스털링 기관 열 시스템 개선"이라는 발명의 명칭으로 2000년 3월 2일 출원된 공동 계류중인 미국 특허 출원 시리얼 번호 제09/517,245호와, "보조 전력 유닛"이라는 발명의 명칭으로 2000년 3월 2일 출원된 공동 계류중인 미국 특허 출원 시리얼 번호 제09/517,808호를 참조하고, 이는 본 명세서 전체에 참조로 병합된다.
증류될 액체, 바람직하게는 물의 전처리(pre-treatment)가 수행될 수 있고, 이 경우에 전처리는 흡입구(00) 내 또는 그 앞에 발생될 수 있다. 전처리 작동은 임의 또는 모든 그로스 필터링(gross-filtering); 폴리포스페이트, 폴리아세테이트, 유기산 또는 폴리아스파테이트와 같은 화학 첨가제로 처리; 화학 개질, 압축, 발진 자기장 또는 발진 전기장으로의 노출과 같은 전기화학 처리; 탈가스화; UV 처리를 포함할 수 있다. 첨가제는 표준 격막 펌프 또는 압전 격막 펌프를 포함하여 롤러 펌프 또는 박동성 펌프(pulsatile pump)와 같은 연속적인 펌핑 기구를 사용하여 유입되는 액체 흐름에 액체 형태로 첨가될 수 있다. 이와 달리, 첨가제는 재장전 싸이클(re-load cycle), 또는 일괄 펌핑 시스템을 요구하는 예를 들어, 주사기 펌프를 사용한 반연속적 기구에 의해 첨가될 수 있고, 여기서 작은 양의 첨가제는 액체가 시스템 안으로 유동하기 전에 액체와 첨가제를 균일하게 혼합하는 시스템에 유지 체적부 또는 저장기 외부 안으로 펌핑된다. 또한 사용자는 예를 들어, 정화되는 액체를 함유한 버킷 안으로 소정량의 첨가제를 간단히 낙하하는 것이 구비된다. 액체 첨가제는 사용기간의 양(즉, 기계 수명에 대해 비소모성) 또는 소비 후에 재장전하는 것이 요구되는 소모성 양으로 장전될 수 있다.
첨가제는 또한 고체 형태로 첨가될 수 있고, 여기서 이러한 첨가제는 흡입구(00)의 유동 관통 채널로 삽입된 시간 방출 매트릭스(time-release matrix)에 매립될 수 있다. 특정 실시예에서, 교체 첨가제는 사용자에 의해 주기적으로 삽입되는 것이 필요하다. 또 다른 실시예에서, 첨가제의 분말 형태가 상술된 액체 첨가제를 첨가하기 위한 배치 시스템과 유사한 첨가제가 균일하게 혼합되는 정화된 물을 함유한 외부 수용기에 예를 들어, 정화 형태로 분말이 첨가되는 배치 시스템에 첨가될 수 있다.
증류된 제품, 바람직하게는 물의 후처리(post-treatment)가 발생할 수 있고, 이 경우에 후처리는 바람직하게는 (도시되지 않은) 외부 출력 구역 내에 발생할 수 있다. 후처리 작동은 달게 하는 설탕계 첨가제, 시게 하는 산 및 미네랄과 같은 미감 첨가제를 포함할 수 있다. 영양물, 비타민, 크레아티닌과 같은 안정성 단백질, 지방 및 설탕을 포함하는 다른 첨가제가 또한 첨가될 수 있다. 이러한 첨가제는 출력 액체가 유동하는 시간 방출 정화로서 또는 배치 시스템을 통해서와 같이 외부 수용기에 첨가되는 분말로서 액체 또는 고체 형태로 첨가될 수 있다. 이와 달리, 첨가제는 예를 들어, 여과함으로써 또는 접촉시 분해함으로 분리 수집 수용기 또는 용기의 내부 코팅을 통해 출력 액체에 첨가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 첨가제를 구비하고 구비하지 않은 정화된 액체를 검출하는 능력이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 따른 검출 시스템은 pH 분석, 도전성 및 경도 분석, 또는 다른 표준 전기계 시험을 포함한다. 이러한 검출 시스템은 첨가제 수준/양이 미리 설정된 수준 이하 또는 검출불가능 할 경우 신호 기구를 가동시킴으로써 필요시 첨가제의 대체를 허용한다.
다른 실시예로, 예를 들어, 물 경도와 같은 액체 특성이 출구에서 모니터링되고 적절한 첨가제가 첨가되어야 하는 것을 신호로 알리는 지시 기구와 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 오존은 예를 들어 전류 또는 방전 방법을 사용하여 일반적으로 발생되고, 개선된 미감용의 출력 제품에 첨가된다. 이와 달리, HEPA를 통해 펌핑된 공기는 최종 정화된 제품의 미감(palatability)을 개선하기 위해 출력 액체를 통해 거품이 일 수 있다.
다른 실시예는 핵산, 항원 및 박테리아와 같은 생물 유기화학물을 검출하기 위한 수단을 포함하는 것이 고려된다. 이러한 검출 수단의 예는 본 기술분야에 공지되고 현재 상업적으로 입수가능한 생화학 마이크로 어레이 및 나노스케일 화학을 포함한다. 이러한 어레이는 또한 상술된 바와 같이 정화된 제품에 영양분 및 다른 첨가제의 존재 및/또는 없음을 모니터링하는데 사용될 수 있다.
다른 실시예로, UV 처리는 정화된 제품의 유지를 돕기 위해 예를 들어, 저장 배럴 또는 다른 용기에서 후 정화방법으로 이용될 수 있다.
다른 특정 실시예로, CO2 농도가 높은 배기를 생성하는 스털링 기관 발전기는 전체 시스템에 동력을 가하기 위해 전력원(800)으로 사용된다. 이러한 실시예에서, 스털링 기관으로부터의 배기는 흡입구(00)로 다시 집중되고 전처리의 하나의 수단으로서 정화되는 물을 산성화하는데 사용된다. 유입된 물 공급의 산성화는 배기에서의 (압력하에) CO2의 강력한 분해로부터 발생되고, 이 산성화는 시스템에 발생하는 석회 축적과 같은 임의 스케일링을 감소시킬 수 있다. 이와 달리, CO2 배기는 후처리 산성화를 위한 수단으로서 정화된 제품 안으로 통과될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 구비된 시스템은 단일 일체형 유닛 내에 결합될 수 있거나 분리 작업할 수 있고 국부적 물 정화를 목적으로 본 명세서에 설명된 바와 같이 결합된 두 개의 기본 기능 부품을 구비한다. 도2는 전력 유닛(2010)이 증기 압축 물 증류 유닛(2012)에 전력을 제공하도록 케이블(2014)을 통해서 전기적으로 결합되고, 전력 유닛으로부터의 배기 가스는 배기 덕트(2016)를 통해 물 증류 유닛에 열을 전달하도록 결합되는 본 발명의 실시예를 도시한다.
열 싸이클 기관은 열역학 제2 법칙에 의해 부분 효율, 즉, (TH-TC)/TH의 캐놋 효율(Carnot efficiency)로 제한되고, 여기서 TH 및 TC는 각각 이용가능한 열원의 온도 및 대기 열 배경이다. 열 기관 싸이클의 압축 단계동안, 열은 완전히 가역적이지는 않은 방식으로 시스템으로부터 배기되어야 하고, 따라서 항상 배기 열의 과잉이 있다. 더욱이, 더욱 심각하게, 열 엔지 싸이클의 팽창 단계동안 제공되는 모든 열이 작동 유체 내에 결합되는 것은 아니다. 여기서, 또한 다른 목적을 위해 장점적으로 사용될 수 있는 배기 열이 발생된다. 버너 배기에서(즉, 대기 환경보다 더 높은 가스에서) 열역학적으로 이용가능한 전체 열은 전형적으로 정체 입력 전력의 10% 정도이다. 열의 700W만큼의 저력의 킬로와트 정도로 전달하는 전력 유닛의 경우 200℃ 근처의 온도에서 가스의 배기 흐름으로 이용가능할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기관 동력식 발전기에 의해 발생된 전력뿐 아니라 배기 열이 인간 소모용의 물의 정화에 이용되고, 따라서, 천연 물(raw water)과 연료만이 제공되는 것이 요구되는 일체형 시스템을 유리하게 제공한다.
또한, 스털링(Stirling) 사이클 기관과 같은 외연 기관은 상기 방법이 연소를 제공하는 버너를 통한 산화제(전형적으로, 공기, 상세한 설명 및 첨부된 청구항에서 제한없이 "공기"로 언급됨)의 효율적인 펌핑과 히터 헤드에 남은 고온 배기물의 회수에 사용될 때, 높은 열효율과 공해물질의 저 배출을 제공할 수 있다. 많은 적용예에서, 공기는 연소 전에 열효율에 대한 상기 목적을 달성하도록 히터 헤드의 온도에 가깝게 예열된다. 그러나, 높은 열효율을 달성하기 위해 바람직한 예열된 공기의 고온은 공기와 연료의 예비 혼합을 어렵게 하고 화염 온도를 제한하기 위해 과도한 양의 공기를 필요로 함으로써, 저 배출 목표의 달성을 어렵게 한다. 열 기관의 효율적이며 저 배출 작동을 달성하기 위한, 이러한 난점을 극복하는 기술은 예로써, 2000년 5월 16일에 출원된 미국 특허 제6,062,023호(케르윈 등)에 개시된다.
또한, 외연 기관은 특정 지역 환경에서 가장 잘 활용될 수 있는 것을 포함하는 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있으나, 본 발명의 교시는 상기 기관으로 제한되지 않고, 내연 기관 또한 본 발명의 범위에 포함된다. 그러나, 내연 기관은 배기 가스의 전형적인 오염성으로 인한 어려움을 주기 때문에, 외연 기관이 사용하기 에 바람직하다.
동력 유닛(2010)의 실시예가 도3에 개략 도시된다. 동력 유닛(2010)은 발전기(2102)에 결합된 외연 기관(2101)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 외연 기관(2101)은 스털링 사이클 기관이다. 작동 중, 스털링 사이클 기관(2101)의 출력은 기계적 에너지와 잔여 열적 에너지 모두를 포함한다. 버너(2104)의 연료 연소에서 발생된 열은 스털링 사이클 기관(2101)의 입력으로서 가해지고, 일부 기계적 에너지로 변환된다. 변환되지 않은 열 또는 열적 에너지는 버너(2104)에서 나온 에너지의 65 내지 85%이다. 이러한 열은 버너(2104)로부터의 배기 가스의 소규모 유동 및 스털링 기관의 냉각기(2103)에서 배출된 열의 큰 규모 유동의 두가지 형태로 동력 유닛(2110) 주변의 국부 환경에 대한 가열을 제공할 수 있다. 또한, 동력 유닛(2110)은 보조 동력 유닛(APU)으로 지칭될 수 있다. 배기 가스는 통상적으로 100 내지 300℃의 비교적 고온이며, 스털링 기관(2101)에 의해서 발생된 열적 에너지의 10 내지 20% 이다. 냉각기는 대기 온도보다 10 내지 20℃ 높은 온도에서 80 내지 90%의 열적 에너지를 방출한다. 상기 열은 라디에이터(2107)를 경유하는 물의 유동 또는 더욱 통상적으로는 공기의 유동 중 어느 하나에 의해 방출된다. 스털링 사이클 기관(2101)은 동력 유닛(2010)이 이동될 수 있는 크기인 것이 바람직하다.
도3에 도시된 바와 같이, 스털링 기관(2101)은 버너(2104)와 같은 열원에 의해 직접적으로 동력을 공급받는다. 버너(2014)는 스털링 기관(2101)을 구동시키는데 사용되는 고온 배기 가스를 생성하도록 연료를 연소시킨다. 버너 제어 유닛(2109)은 버너(2104) 및 연료 캐니스터(2110)에 결합된다. 버너 제어 유닛(2109)은 연료 캐니스터(2110)로부터 버너(2104)로 연료를 전달한다. 또한, 버너 제어기(2109)는 유리하게는 사실상 완전 연소를 보장하도록, 계측된 양의 공기를 버너(2104)로 전달한다. 버너(2104)에 의해 연소된 연료는 청정하게 연소되고 상용으로 입수 가능한 프로판과 같은 것이 바람직하다. 청정 연소 연료는 황과 같은 가장 중요한 오염물을 다량 함유하지 않은 연료이다. 천연 가스, 에탄, 프로판, 부탄, 에탄올, 메탄올 및 액화 석유 가스(LPG)는 모두 오염물의 수 퍼센트로 제한된 청정 연소 연료이다. 상용으로 입수 가능한 프로판 연료는 자동차 공학자 연합회에서 정의한 산업 등급이며, 베른조마틱(Bernzomatic)사로부터 상용으로 입수 가능한 HD-5이다. 본 발명의 실시예에 따라, 그리고 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 스털링 기관(2101) 및 버너(2104)는 높은 열효율 및 낮은 배출을 제공하도록 실질적인 완전 연소를 제공한다. 높은 효율 및 낮은 배출 특성은 동력 유닛(2010)의 실내 사용을 유리하게 허용할 수 있다.
발전기(2102)는 스털링 기관(2101)의 크랭크 샤프트(도시 생략)에 결합된다. 이 기술 분야의 숙련자들은 발전기가 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기 또는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 모터와 같은 전기 장치의 범주를 포함한다는 것을 알 수 있다. 발전기(2102)는 영구 자석식 브러시리스 모터인 것이 바람직하다. 재 충전식 배터리(2113)는 시동 동력을 동력 유닛(2010)에 제공하며 직류 전류("DC")를 DC 전력 출력부(2112)에 제공한다. 또한, 다른 실시예에서, APU(2010)는 교류 전류("AC")를 AC 전력 출력부(2114)에 제공한다. 인버터(2116)는 배터리(2113)에서 발생된 DC 전력을 교류 전력으로 변환시키기 위해 배터리(2113)에 결합된다. 도3에 도시된 실시예에서, 배터리(2113), 인버터(2116) 및 AC 전력 출력부(2114)는 인클로저(2120) 내에 배치된다.
동력 유닛(2010)의 작동시에 발생된 배기 가스의 활용이 도4의 본 발명의 실시예에 대한 개략 도면을 참조하여 설명된다. 버너의 배기물은 열 도관(2016)을 통해 도면 부호 2012로 도시된 물 정화 유닛의 인클로저(2504)로 향한다. 열 도관(2016)은 차폐부에 의해 둘러싸인 플라스틱 또는 주름진 금속 호스인 것이 바람직하지만, 동력 유닛(2010)으로부터 물 정화 유닛(2012)으로 배기 열을 전달할 수 있는 모든 수단이 본 발명의 범위에 있다. 도면 부호 2502로 도시된 배기 가스는 핀식(finned) 열 교환기(2506)를 가로질러 송풍되고, 이에 따라 증류 증발기(2510)로 이동할 때 원수(source water) 증기(2508)를 가열한다. 차폐된 인클로저(2504)에 의해 둘러싸여진 체적을 채우는 고온 가스(2512)는 차폐된 공동부 내의 가스 온도가 증류기 자체의 표면(2514)보다 고온이기 때문에 증류 시스템으로부터의 모든 열 손실을 제거한다. 따라서, 증류기로부터 대기 환경으로 실질적인 열 유동이 없으며, 37.8ℓ/시간(10 gal/시간)의 증류 용량에 대한 75W 정도의 손실이 회수된다. 마이크로 스위치(2518)는 유닛의 작동이 고온 가스의 유입을 고려하도록, 고온 배기물과 연결된 호스(2016)의 정화 유닛(2012)으로의 연결을 감지한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 포스트 버너(도시 생략)의 부가 또는 저항식 가열용 전원의 사용을 통해, 배기 기류(2502)에 열을 부가하는 것이 본 발명의 범위에 포함된다.
시스템의 초기 시동 중, 동력 유닛(2010)이 기동되고 전원 및 고온 배기가 제공된다. 물 정화 유닛(2012)의 워밍업은 핀식 열 교환기(2506)가 배기물의 이슬점 이하에 있고, 배기물이 초기 연소 생성물로서 물을 함유하기 때문에 상당히 가속된다. 이러한 물에 함유된 내용물의 모든 증기열은 물이 열 교환기의 핀 상에서 응축될 때 원수를 가열할 수 있다. 증기열은 증류 공동부 내에 고온 가스의 대류에 의해 핀의 가열을 보충한다. 대류에 의한 핀의 가열은 핀이 배기물의 이슬점에 도달한 후에도 계속된다.
본 발명의 다른 실시에에 따라, 동력 유닛(2010) 및 물 정화 유닛(2012)은 냉각 목적으로 정화 유닛으로부터 동력 유닛을 통한 물 흐름에 의해 더욱 완전하게 된다. 냉각 목적으로 원수를 사용하는 것은 물의 화학 처리되지 않은 성질로 인한 문제를 발생시킨다. 반면, 생성된 물의 이용은 정화 유닛이 완전한 작동 조건으로 워밍업되기 전에 동력 유닛을 냉각시키기 위한 시스템의 부가된 복잡성을 요구한다.
본 발명의 몇몇 특정 실시예들은 특히, 마찰 손실을 감소시킴으로써 전체 에너지 효율을 증가시키는 것에 대한 액체 링 펌프의 기본 디자인을 향상시킬 수 있다. 디자인의 간결성을 유지하면서 마찰 손실을 최대로 감소시키고 제품의 비용적인 효율을 제공하는 완전히 회전되는 하우징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예가 도5a 내지 도5d에 도시된다. 도5a에 도시된 바와 같이, 고정자(9)는 회전자(8)에 대해 고정되어 있으며, 흡입구(7) 및 배출구(6)를 포함한다. 압력(P1)에서 흐름은흡입되며, 회전자 챔버(3)로 통과된다. 회전자(8)는 회전식 하우징 및 액체 링 펌프가 중심에 위치된 중심축(Z)으로부터 오프셋되어 있다. 회전자(8)가 회전자 베어링(16)을 갖는 중심 샤프트(14) 주위를 선회할 때, 챔버(3)의 유효 체적은 감소한다. 따라서, 흐름이 응축기(200)로 향하도록, 회전 통로를 따라 배출구(6)로 이동할 때 압력(P2)으로 압축된다. 바람직하게는, 회전식 하우징(도시 생략)은 마찰로 인한 에너지 손실이 감소되도록, 액체 링 펌프 내의 액체 링과 함께 회전한다.
도5b 및 도5c에 도시된 바와 같이, 고정자(9)는 입력 및 출력 영역에서 지지 구조물(26)을 갖는다. 회전자(8)의 개별 베인(17)은 도5b 및 도5c에 도시된 고정자(9)의 상면도의 지지 구조물(26) 아래에서 볼 수 있고, 중심축 주위의 회전자(8)의 편심 배치도 볼 수 있다. 이러한 액체 링 펌프의 특정 실시예는 작동중, 축방향으로 공급되고 이동되며, 수직, 수평 또는 다른 배향을 가질 수 있다. 도5d는 상기 실시예의 다른 도면이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 액체 링 펌프는 시스템이 34.475 kPa(5 psig)로부터 103.424 kPa(15 psig) 범위에서 작동하기 위해 입력 및 출력 압력의 매우 협소한 범위 내에서 작동되도록 디자인된다. 시스템 압력은 도5a 내지 도5d의 챔버(3)로부터 흐름을 해제시키기 위한 체크 밸브를 사용하여 조절될 수 있다. 향상된 시스템 성능은 배기 포트의 배출구(6)를 회전축 주위의 특정 회전 각도에 위치시킴으로써 바람직하게 달성될 수 있으며, 상기 특정 각도는 증류기 작동에 요구되는 압력 상승에 해당된다. 시스템 압력을 조절하기 위한 특정 포트 개방 각도의 일 실시예가 도5b에 도시된다. 배출구(6)는 회전자 어세스(access) 주위로 약 90도의 회전 각도로 위치되며, 챔버(3)로부터의 흐름을 방출한다. 배출구(6)를 고정자 축 주위로 높은 회전 각도에 위치시키는 것은 시스템 압력을 상승시키고, 펌프의 처리량을 낮출 수 있으며, 배출구(6)를 고정자 축 주위로 낮은 회전 각도에 위치시키는 것은 시스템 압력은 낮추고 펌프 처리량은 증가시킬 수 있다. 시스템 압력을 최적화하기 위해 배출구(6)의 배치를 선택하는 것은 향상된 펌프 효율을 가져올 수 있다. 또한, 시스템 압력을 유지하기 위한 배출구(6)의 배치는 챔버(3)로의 배기 포트에서 체크 밸브를 제거함으로써 시스템의 복잡성을 최소화시킬 수 있어서, 단순하고, 더욱 비용에서 효과적인 압축기를 제공한다.
액체 링 펌프의 다른 실시예가 도6a에 개략 도시된다. 도6a에서, 압축기(100)는 단일한 두 개의 채널 고정자/본체(9)와 회전자(8)를 수납하는 외부 회전식 하우징(10)을 갖는 액체 링 펌프의 가능한 예이며, 여기서 회전식 하우징(10)과 고정식 고정자/본체(9) 사이의 밀봉면은 원통형이다. 두 개의 채널 고정자/본체(9)는 펌프(100)의 챔버(12)와 회전자(8) 및 회전식 하우징(10)에 대해 고정식으로 유지되며, 흡입구(7) 및 배출구(6)를 포함한다. 압력(P1)에서 흐름은 흡입되어, 흡입 오리피스(5)를 통과한다. 회전자가 고정자(9) 주위에서 회전함에 따라 흡입 오리피스(5)가 회전자(8)의 흡입 구멍(4)에 대해 정렬될 때, 흐름은 흡입 구멍(4)을 통해 회전자 챔버(3)로 통과된다. 회전자(8)는 중심축(Z)으로부터 오프셋되어 회전자(8)가 선회할 때 회전자 챔버(3)의 유효 체적이 감소된다. 이러한 방식에서, 흐름은 회전 경로를 따라 회전자(8)의 배출 구멍(2)으로 이동할 때 압력(P2)으로 압축된다. 회전자(8)가 선회함에 따라, 배출 구멍(2)은 고정식 배출구(6)의 출구 오리피스(1)에 정렬되고, 압력(P2)에서의 흐름은 응축기(200)를 향하도록 출구 오리피스(1)를 통해 배출구(6)를 통과한다. 상기 실시예에서, 회전식 하우징(10)은 챔버(12) 내의 물(19)과 함께 회전하여, 편류(windage)로 인한 마찰 에너지 손실을 감소시킨다. 또한, 물(19)을 챔버(12)에서 유출 및/또는 챔버로 유입시키기 위해 하우징(10) 내에는 작은 구멍(11)이 있을 수 있으며, 이로 인해 펌프 내의 액체 수위를 제어한다. 또한, 회전자(8)는 도6b에 도시된 바와 같이, 회전자(8)가 위쪽으로부터 보여질 때 명백하게되는 다중 베인(17)을 갖는다. 개별적인 회전자 챔버(3)와 각각의 회전자 챔버(3)용 흡입 구멍(4) 및 배출 구멍(2)을 또한 상기 도면에서 용이하게 볼 수 있다.
회전식 하우징(10)과 고정자(9) 사이의 경계면이 원형이 아닌 원추형인 액체 링 펌프의 다른 실시예가 도7a에 도시된다. 상기 실시예에서, 회전자 구동 샤프트(14)는 회전식 회전자 하우징(10)이 회전자(8)와 함께 회전하도록 하는 베어링(16) 상에 위치된 단부(15)를 갖는다. 흡입 오리피스(5)와 출구 오리피스(1)에 해당하는 흡입구(7)와 배출구(6)는 회전자(8)와 하우징(10)에 대하여 고정식으로 유지된다.
또한, 고정 섹션(6, 7)과 회전자(8) 사이에는 원추형 또는 축방향 밀봉부(13)가 있을 수 있다. 도7b에 가장 잘 도시된 원추형의 실시예에서, 밀봉부(13)는 누출을 방지하도록 회전자(8)의 출구 오리피스(1)로부터 흡입 오리피스(5)를 분리한다. 도6 및 도7에 도시된 액체 링 펌프는 축방향으로 공급되고 이동되는 도5a 내지 도5d를 참조하여 설명된 바와 같은(위의 사항 참조) 액체 링 펌프의 바람직한 실시예와는 대조적으로, 축방향으로 공급되고 반경방향으로 이동된다.
작동 중, 성능을 최적화하기 위해, 압축기 내의 액체 링의 깊이를 계측하는 것이 바람직하다. 본 명세서에 개시된 실시예에서, 액체 링 펌프 하우징(10)은 펌프의 액체 링과 함께 회전하며, 액체의 온도는 전체적으로 110℃ 주변이다. 링 깊이 계측 방법은 초음파, 레이더, 부양물, 유체 전도도 및 광학 센서를 사용하는 통상적인 방법 중 어느 하나를 포함한다. 회전식 하우징의 복잡성 때문에, 캐패시터 내의 액체의 깊이가 변화함에 따라 캐패시터의 캐피시턴스도 변하는 용량성 센서가 이러한 계측의 실시예로써 바람직하다. 도8에 도시된 바와 같이, 디스크형 캐패시터 센서 판(110)은 회전식 하우징(10)의 바닥면(10A)으로부터 등거리로 회전식 하우징(10)의 바닥과 회전자(8)의 바닥면(8A)에 장착된다. 따라서, 캐패시터는 하우징(10), 회전자(8) 및 캐패시터 센서(110)에 의해서 형성된다. 리드(112)는 캐패시터 센서(110)로부터 회전식 하우징 샤프트(53) 내의 통로(53A)를 통해 코어 트랜스포머의 제2측(113)으로 캐패시터를 연결하며, 페라이트(도시 생략)인 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 제2측(113)은 캐패시터 판과 동일한 속도로 회전하며, 페라이트 코어 트랜스포머의 제1측과 유도성으로 연결된다. 제1측 권선(114)은 고정식이며, 수위 계측 캐패시터로의 그리고 그로부터의 신호는 트랜스포머를 통해 연결되고, 이러한 방식으로 깊이 정보가 회전 위치로부터 고정 위치의 전송되는 가능하다. 캐피시턴스는 트랜스포머 제2측의 인덕턴스(L)와 캐패시터(C)의 LC 공진을 형성하여 결정된다. 바람직한 실시예에서, LC 발진기 회로가 구성되며 발진 주파수는 캐패시턴스의 계측에 사용된다.
선택적으로는, 본 발명에 따른 다른 특정 실시예에서는 재생 블로어가 압축기(100)용 액체 링 펌프 대신에 사용될 수 있다는 것이 고려될 수 있다. 액체 링 펌프 대신에 사용될 수 있는 가능한 재생 블로어의 예는 52'' H2O 최대 압력, 92cfm 개방 유동 또는 48'' H2O 최대 압력, 88 cfm 개방 유동 각각으로 작동할 수 있는 GAST(예를 들어, 모델 R4110-2/R4310A-2 등)에 의한 상업적으로 입수가능한 상표명 REGENAIR R4 시리즈이다. 본원에 참고로서 참조되는 도28를 보라.
오염된 액체 액적이 증기와 함께 응축기(200)로 유입 및 이송되는 것을 방지하기 위하여, 펌프(100)는, 예를 들어 도9의 다른 실시예에 도시된 바와 같이 설계될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 액체 링 펌프는 증발기/응축기의 헤드 공간 내에 위치되고, 먼지는 회전 하우징(10)이 회전할 때 제거되며, 회전은 원심력에 의해 먼지와 물 액적을 흩날리는 사이클론 효과를 발생시켜서 정지중인 하우징과 충돌하고 섬프 내의 물로 이송된다. 회전 하우징(10)의 외측으로부터 연장되는 핀(18)은 회전 하우징(10)과 고정 하우징(25) 사이의 환형 공간 내의 증기의 회전 및 순환을 향상시킨다. 증기 출구(22)가 스팀의 통로를 위하여 응축기(200)에 제공된다.
바람직한 실시예에서, 도10에 도시된 바와 같이 압축기/펌프(100)를 구동시키기 위하여 모터와 같은 액츄에이터(150)가 제공될 수도 있다. 모터(150)는 전력원(800)[도1a에 도시됨]으로부터의 전력을 받는다. 도10 및 도11에 도시된 특정 실시예에서, 모터 회전자/자석(37)이 시스템의 유체 경계 및 압력부 내부에서 기밀식 밀봉되며, 모터 캔(28) 및 모터 고정자/권선부(38)는 주 압력 시스템 외피의 외부에 위치된다. 단일의 연속식 샤프트(14)는 대략 베어링(16)이 안착되는 모터(150)로부터의 펌프(100)까지의 길이를 가져서 모터 회전자(37)와 펌프 회전자(8)의 회전을 가능하게 한다. 기밀식 밀봉된 모터와 연속식 샤프트를 사용함으로써 압력 경계부의 밀봉된 샤프트 침입에 대한 필요성을 제거한다. 또한, 모터는 둘러싸는 포화 수증기와 모터 고정자(38) 주위에서의 액체 흡입구(39)의 순환에 의해서 일정한 온도로 유지된다(도14a 참조). 따라서, 모터로부터 발생된 열은 온도를 유지시키는데 필요한 전체 열 입력을 감소시키면서 시스템 내로 전달된다.
일 실시예에서, 모터(150)는 샤프트 커플링 및 기계적 밀봉에 대한 필요성을 제거하면서 증기와 물 내에서 가동되도록 설계되어서 기계 부품 내에서의 드래그와 복잡성을 감소시키고 모터 전력 손실의 보다 나은 회복을 동시에 허용하게 하는 타입의 모터이다. 이러한 실시예에서, 모터 회전자(37)[도10 참조]는 라미네이션으로 구성된다. 부식을 방지하기 위하여, 라미네이션은 강으로 제조될 수도 있고, 플라즈마 코팅, 실리콘 코팅, 파우더 코팅에 의해 보호될 수 있거나 또는 라미네이션과 자석이 니켈로 도금될 수도 있다.
더 양호한 실시예에서, 모터 회전자(37)는, 예를 들어 446 스테인레스 강과 같은 고 크롬 함량 강과 같은 스테인레스 강 또는 순수 철과 같은 솔리드 재료 회전자이다. 철 또는 강 회전자(37)는 자석(37A)과 마찬가지로 니켈 도금될 수도 있다. 순수 철 회전자는 최상의 자성과 라미네이트 회전자에 대한 향상된 토크를 가진다. 선택적으로는, 니켈 도금 자석을 갖춘 솔리드 스테인레스 강 회전자가 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 스테인레스 강은 높은 크롬 함량을 가져서 회전자 내에 함유된 철이 부식되는 것을 방지하는 회전자(37)의 표면 상의 산화 크롬을 도포시킨다. 순수 철 회전자와 같이, 스테인레스 강 회전자 또한 라미네이트 회전자에 비해서 개선된 토크를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 고 크롬 함량 스테인레스 강 회전자는 향상된 부식 방지를 위하여 두꺼운 산화 크롬 도포를 하면서 표면 철을 제거하도록 부동화될 수도 있다. 또한 다른 방식의 코팅이 부식 저항을 돕도록 사용될 수 있다. 또한, 니켈 도금 자석은 모터 토크를 추가로 증가시키고 제조 비용을 줄이는 굴곡면 자석일 수도 있다.
도10에 도시된 바와 같이, 모터 하우징(27)은 모터 고정자/권선부(38)를 갖춘 모터(150)를 포함한다. 모터 캔(28)은 시스템의 유체/압력 외피 내에서 모터 회전자(37), 모터 자석(37A) 및 모터 및 펌프 회전자 연속식 구동 샤프트(14)를 밀폐식으로 밀봉한다. 고정 하우징(25)은 비회전 밸브 플레이트(33), 다중 회전자 베인(17)을 갖는 펌프 회전자(8), 회전자 베어링(16) 및 회전 하우징(10)과 함께 회전하는 전형적으로는 물인 액체 링(19)[도6a 및 도9 참조]를 둘러싼다. 외부 하우징(25) 상의 드레인(도시 안됨)은 액체 링 펌프 정지 하우징의 보충을 방해한다.
소정 레벨의 액체를 함유하는 하부 저장조(30)는 드레인/보충 유체 라인(도시 안됨)에 연결되고, 회전 하우징 샤프트(53) 주위에서의 회전 하우징 베어링(52) 및 사이펀 펌프(32)를 수납한다. 사이펀 펌프(32)는 사이펀 펌프 라인(35) 위로 하부 저장조(31)로부터 액체, 바람직하게는 물을 재지향시키고 연속하여 사이펀 공급 라인(36)을 통하여 챔버(12)로 향하게 한다. 회전자(8) 및 액체 링(19)이 회전함에 따라, 물 액적(20)은 고정 하우징(25)에 대하여 액체 링 오버플로우 개구(도시 안됨)을 통해 외향으로 원심력에 의해 날려지고, 이후 고정 하우징 벽(25)으로 하향 이송되고 하부 저장조(30)내로 되돌아간다.
도12a는 외부 고정 하우징(25), 외부 모터 하우징(27), 배출 및 흡입 매니폴드(6, 7) 및 모터 캔(28)의 본 발명에 따른 실시예를 도시한다. 도12b는 도12a에 도시된 실시예의 단면도이다. 외부 모터 하우징(27), 외부 하우징(25) 및 하부 저장조(30)은 회전 하우징 베어링(52)을 포함하여 볼 수 있다. 또한, 모터 회전자(37), 모터 고정자(38) 및 단일의 연속 회전자 샤프트(14) 및 회전자 베인(17)을 갖춘 모터를 볼 수도 있다.
이와 유사하게, 도12c는 도12a 및 도12b에 도시된 바와 같이 동일한 실시예의 상이한 평면을 통한 단면도를 도시한다. 사이펀 펌프 라인(35)과 사이펀 공급 라인(36)이 챔버(12)로 연결된 상태인 사이펀 펌프(32)가 하부 저장조(30) 내에서 용이하게 볼 수 있다.
사이펀 펌프(32)의 상세도는 하부 저장조(30)의 단면도인 도13에서 볼 수 있다. 도13은 그 내부에서 회전 하우징 베어링(52)을 볼 수 있는 하부 저장조(30)를 도시하고, 사이펀 펌프(32), 사이펀 펌프 라인(35), 사이펀 공급 라인(36) 및 챔버(12)의 절결도이다. 동작시에는, 사이펀 펌프(32)는 하부 저장조(30)로부터의 물을 끌어서 사이펀 펌프 라인(35)을 통하여 사이펀 공급 라인(36)으로 펌핑하고 챔버(12)로 되돌린다. 도10을 참조하면, 하부 저장조(30)로부터 챔버(12)로 액체를 이송시키는 본 발명의 실시예들은 바람직하게는 정지 외부 하우징(25)에 부착된 하부 저장조(30) 내의 하나 이상의 배플을 이용할 수도 있다. 바람직하게는 반경 방향 형상일 수도 있는 배플은 하우징(10)의 회전에 의해 유도된 물의 유동을 차단시 켜서 사이펀 펌프(32) 내에서의 사이펀의 손실을 방지하여 보다 나은 사이펀 유동을 유지시키고 사이펀이 손실된 경우 프라이밍이 가능하게 한다.
본 발명의 다른 특정 실시예는 시스템의 전체 에너지 효율을 향상시키도록 설계되고 도14a에 도시된다. 특정 실시예에 따른 시스템은 펌프 흡입구(00)를 통해 유동하여 교환기(400)를 통하는 냉각 액체 흡입구(39)를 갖는다. 펌프(00)는 전형적으로는 시스템이 가압되지 않을 때, 즉 시스템 내부의 압력(P)이 외부 압력(P)과 동일할 때 자체-프라이밍이 되는 다이어프램 정변위 펌프이다. 바람직한 실시예에서, 펌프(00)는 소스 호스가 액체 소스 용기로부터 분리될 경우 발생되는 바와 같이 프라이밍이 손실되면 공기 벤트(01)를 갖춘 루프 피드백 구성을 구비하여 시동시 펌프(00)가 프라이밍, 특히 일정 압력 하에서 가동 시스템을 재프라이밍시키는 것을 돕는다.
교환기(400)로부터, 흡입 라인은 모터(150) 주위의 냉각 루프로 연장되고 이어서 응축기(200)가 상단 코어 플레이트(48) 및 하단 코어 플레이트(50)를 구비하는 코어 증발기/응축기(600)로 연장된다. 코어 증발기/응축기(600) 내에는 코어 튜브(49)가 헤드(300)와 연통시키는 헤드 매니폴드 개구(56)와, 튜브(49)가 섬프(500)와 연통시키는 섬프 매니폴드 개구(55)를 갖는, 통상적으로는 구리-니켈 합금 또는 다른 열전도성 재료로 제조된 다중 평행 튜브(49)가 위치된다. 코어 튜브(49)는 증발 잠열이 증발/응축 사이클에서 전달되는 열교환 표면이다. 열이 튜브 외부에서의 응축 증기와 튜브 내부에서의 증발하는 물 사이에서의 교환율은 출력 및 효율에 있어서 중요한 요인이다. 열 교환 표면의 열 저항이 낮다면, 더 나은 열 교환이 일어나고, 출력 체적 및 효율이 증가한다. 응축 표면에 충돌하는 공기는 열 전달을 방해하는 단열체가 된다. 이를 방지하기 위하여, 시스템 내에 존재하는 공기는, 필요할 때, 예를 들어 공기 벤트(01), 활성 혼합기(23) 또는 다른 배출구를 거쳐서 시스템 밖으로 연속적으로 배출된다.
열 전달은 물이 "스키닝(skinning)" 현상으로서 불려지는 응축기 챔버의 하단으로 이송될 때 튜브의 외측을 응축시키고 도포하는 것과 같이 시트를 형성할 때 좋지 않게 된다. 물이 응축기의 표면 상에서의 "스키닝"되는 정도는 대체로 열 전달 표면의 표면 에너지(소수성)에 의해 결정된다. 본 발명의 실시예에서, 소수성 코팅은 응축하는 물이 스키닝이라기 보다는 비드-업(bead-up)을 유발시켜서 더 많은 열 전달 표면이 효율적인 열 전달을 하게 한다. 적절한 소수성 도포의 예들은 오큘러 테크놀로지스(Ocular Technologies)에 의해 제조된 코팅 또는 자체 열 저항을 가하지 않는 다른 소수성 코팅을 포함한다.
증발기/응축기(600)의 응축기부(600C)로부터의 증기(21)는 활성 가스가 시스템으로부터 배출될 수 있는 활성 혼합기(23) 내로 공급될 수도 있다.
시스템은 그 내부에 스케일링 및 다른 축적을 방지하도록 일정한 블로우다운 물 흐름을 유지시킨다. 헤드 챔버(300) 내의 물 레벨(19)은 레벨 센서(L1), 밸브(V1) 및 소스 펌프(00)를 사용하는 피드백 제어 루프를 통해 조절되어서 블로우다운 증기(43)를 통하여 적절한 물 유동을 유지시킨다. 3방향 소스 펌프 충전 밸브(29)는 섬프(500) 내로 물을 펌핑하도록 설정되고, 이는 헤드 챔버(300) 내의 물 레벨(19)이 상승하게 한다. 액체 레벨(19)이 헤드 챔버(300)에서 상승함에 따라, 액체는 댐형 배리어(302)를 지나서 블로우다운 레벨 센서(L1)를 포함하는 블로우다운 제어 챔버(301) 내로 오버플로우된다. 필요할 경우, 블로우다운 밸브(V1)는 열 교환기(400)를 통한 블로우다운 제어 챔버(301)로부터의 물 유동이 블로우다운 증기(43)로부터의 열을 방출시켜 냉각시키고, 증발기부(600B)로부터의 고온 가스 및 증기(21)의 냉각을 가능하게 하고 블로우다운 증기를 폐기부(43A)로 배출시키는 활성 혼합기(23)를 통해 밸브(V1)로 유출되도록 제어된다.
시스템은 적절한 제품 유동을 유지시킨다. 제품 레벨(502)은 응축기 챔버(600C)내에서 보강되고, 제품 레벨 센서(L2)가 수납되는 제품 제어 챔버(501)내로 유입된다. 레벨 센서(L2) 및 밸브(V2)를 갖춘 피드백 제어 루프를 사용하면서, 제품 증기(41)는 열 교환기(400)를 통하여 제품 제어 챔버(501)로부터 유동하도록 제어되어 제품 증기(41)가 열을 빼앗아 냉각되고, 이어서 밸브(V2)를 통하여 제품 증기를 제품 물 출구(41A)로 배출시킨다.
시스템은 바람직하게는 액체 손실을 보충하기 위한 액체 회복 시스템을 사용함으로써 적절한 액체 링 펌프 물 레벨을 유지하도록 구성된다. 링 펌프로부터의 액체는 하부 저장조(30)로의 누출, 배출 포트(6)를 통한 배출 및 증발을 포함하는 시스템 동작동안 고갈될 수도 있다. 누출 및 배출 손실은 회전 속도 및 액체 링 펌프 처리량과 같은 작동 파라미터에 따라 크게 될 수 있다. 이러한 누출 및 배출 손실은 시간당 수차례 펌프 내의 유체의 전체 교체를 필요로 할 수 있다. 증발 손실은 전형적으로는 작다.
링 펌프 내에서의 액체 레벨은 추가적인 소스 물, 제품 물을 추가함으로써 또는 양호하게는 개선된 시스템 효율을 위하여 액체 링 펌프로부터 손실된 액체 물을 재순환시킴으로써 유지될 수 있다. 일 실시예에서, 링 펌프 내의 액체 레벨은 도14a에서의 하부 저장조(30) 내에 저장된 액체의 재순환에 의해 먼저 유지된다. 액체는 액체 링 펌프로부터의 누출로부터 및 먼지 제거기(58) 내에 포획되고 하부 저장조(30)로 펌핑된 배출구(57)에서 배출된 액체로부터 하부 저장조(30)내에 저장될 수 있다. 선택적으로는, 배출구(57)에서 배출되고 먼지 제거기(58)에 포획된 유체는 액체 링 펌프 배출 포트를 거쳐서 복귀될 수 있다. 하부 저장조(30) 내에 저장된 유체는 소정의 펌핑 기구 중 하나에 의해 재순환될 수 있다. 하나의 바람직한 방법은 도10 및 도12c에 도시된 바와 같이 사이펀 펌프(32)(앞서 설명됨)을 사용하는 것이다.
최소 깊이의 물이 적절하게 수행하기 위하여 사이펀 펌프(32)에 대한 하부 저장조 내에 양호하게는 유지된다. 하나의 바람직한 실시예에서, 액체 링 펌프 레벨 센서(L3)를 수납하는 액체 링 펌프 제어 챔버(101)는 도14a에 도시된 바와 같이 하부 저장조(30) 내에서의 물의 레벨 및 액체 링 펌프 레벨을 제어하도록 사용될 수 있다. 액체 링 펌프 제어 챔버(101)는 액체 링 펌프(100) 및 하부 저장조(30)에 유동적으로 연결된다. 액체 링 펌프(100)는 액체 링 펌프가 더 많은 물을 필요로 할 때 개방하도록 설정되는 3방향 소스 충전 밸브(29)에 연결되고, 또한 이는 액체 링 펌프(100)로부터의 물을 블로우다운 증기(43) 내로 배출하도록 요구될 때 개방하는 액체 링 펌프 드레인 밸브(V3)에 연결된다.
하부 저장조(30)로부터의 재순환 물이 액체 링 펌프 내의 유체 레벨을 유지 시키는데 주로 사용되지 않을 경우, 냉각 소스 물 또는 제품 물 중 하나가 사용될 수 있다. 소스 물이 사용될 경우에, 액체 링 펌프로 (시스템 온도보다 낮은 대략 85℃일 수 있는)냉각수를 도입하면 시스템 효율을 저하시키고, 선택적으로는 이러한 냉각 소스 물에 대한 예열기를 사용하면 시스템의 에너지 손익을 증가시킨다. 선택적으로는, 시스템 온도에 역효과를 주지 않으면서 제품 물을 사용하면, 제품 레벨을 감소시키고, 이에 따라 시스템 비효율을 초래하게 된다. 시동시, 액체 링 펌프에 대한 초기 액체 레벨은 바람직하게는 소스 물로부터 공급된다.
일 실시예에서, 시동 시간은 도14b에 도시된 바와 같이 냉각측 상에서 열 교환기(400)에 근접하여 배치된, 소스(39)와 블로우다운(43) 유체 라인 사이의 외부 연결 밸브(43AA)를 사용함으로써 감소될 수도 있다. 초기 충전하는 동안 증발기 헤드(300) 내에서의 유체의 레벨을 결정하기 위하여, 연결 밸브(43)는 개방되고, 블로우다운 밸브(BV)는 폐쇄되며, 유체는 소스 라인(39)을 통해 시스템 내로 펌핑된다. 블로우다운(43)과 소스(39)를 연결하면 블로우다운 레벨 센서 하우징(301)과 증발기 헤드(300) 내에서의 유체 높이를 동일하게 하여 증발기 헤드(300) 내에서의 유체 레벨을 결정할 수 있게 하고 충전되는 증발기가 시동시 최소 요구 레벨이 되게 한다. 액체 링 펌프(100)가 시동될 때, 최소 요구 레벨을 사용함으로써 초기 워밍업 시간을 단축시키고 액체 링 펌프(100)를 통한 증발기 헤드(300)로부터 응축기(600)로의 스필-오버(spill-over)를 방지한다(도 14A 참조).
블로우다운 흐름(43) 내에서 고체의 농축이 모니터링되고 제어될 수 있어서 용액으로부터 재료의 침전을 방지하고 시스템의 막힘을 방지한다. 또한, 시동 개시중에, 순환 펌프(43BB)는 열 교환기(400)를 통해 물을 순환시켜 적절한 작동을 위해 열 교환기를 적절한 온도까지 예열할 수 있다. 전도율 센서(도시되지 않음)는 유체의 전기 전도율을 측정함으로써 총 용존 고체(TDS) 함량을 결정하는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 센서는 유도 센서이므로, 어떤 전기 전도성 재료도 유체 흐름과 접촉하지 않는다. 블로우다운 흐름(43) 내의 TDS 함량이 소정 레벨 이상으로 상승하면, 예를 들어, 해수를 증류하는 중에, 유체 공급원 공급 속도는 상승된다. 유체 공급원 공급 속도의 상승은 블로우다운 흐름(43)의 속도를 상승시키게 되며, 그 이유는 증류수 생산은 유체 공급 속도의 함수로서만 약간 변화하기 때문이며, 상승된 블로우다운 흐름 속도는 TDS의 감소된 농축을 초래하고, 그럼으로써 시스템의 전반적인 효율 및 생산성을 유지한다.
도14a와 관련하여 언급한 바와 같이, 유체 제어는 피드백 구성으로 레벨 센서 및 가변 유동 밸브를 사용하여 달성된다. 증류기의 최적 작동은 총 유체 유출과 거의 일치하는 총 유체 유입을 요구한다. 거의 일정 레벨에서 증류기 내의 유체 레벨을 유지시키는 것이 이러한 요구조건을 달성한다. 특정 실시예에서, 센서는 용량성 레벨 센서이고, 유체 레벨을 측정하는데 특히 강력한 센서이다. 용량성 레벨 센서는 어떠한 이동 부분을 갖지 않으며 오염에 둔감하고, 제조가 간단하고 저렴하다. 가변 유량 밸브의 개방은 용량성 레벨 센서로 측정된 액체의 레벨에 의해 제어되므로, 유체 레벨은 레벨 센서 위치에서 조절된다. 상승하는 유체 레벨은 밸브를 더욱 개방하게 하여, 센서 체적의 유출을 증가시킨다. 역으로, 하강하는 유체 레벨은 밸브를 더욱 폐쇄시켜, 센서 체적의 유출을 감소시킨다.
가변 유동 제어 밸브를 통해 입력 펌프로부터의 유동 속도는 인시투 보정 기술(in-situ calibration technique)을 사용하여 결정될 수 있다. 레벨 센서 및 관련된 레벨 센서들은 센서 체적의 충전 또는 배출 속도를 결정하는데 사용될 수 있다. 제어 밸브를 적절하게 구성함으로써, 각 밸브 및 공급원 펌프의 유동 속도 보정이 결정될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 밸브 블록(도시되지 않음)은 시스템을 위한 모든 제어 밸브를 단일 부분으로 합체하는데 이용될 수 있고, 유체 유동 매니폴드와 일체가 될 수 있다. 헤드 내에서 액체의 높이/레벨을 제어하는 플로트 밸브(float valve) 또는 다른 장치뿐 아니라, 총 용존 고체 및 블로우다운 흐름에 대한 센서를 포함하는 제어 시스템도 또한 통합될 수 있다.
도14a에 도시된 바와 같이, 헤드(300)로부터 압축기(100)까지의 추가적인 흐름 라인(22)과, 흐름을 응축기(200)로 전환시키는 흐름 출구(57)와, 응축기(200)로부터 교환기(400)를 통해 인도하고 또한 고온 정화된 응축 제품(502)의 포집을 허용하는 고온 제품 라인(41)과, 고온 제품을 압축기(100)로 전환시켜 일정하게 유지시키도록 수위를 조절하게 하는 라인이 있다. 또한, 시스템이 중단될 때를 위해 드레인 라인(도시되지 않음)도 있을 수 있다.
게다가, 시동시에 찬 액체가 끓을 때까지 가열하고, 증류기의 작동중에 연속적으로 액체를 증기로 전환하는데 충분한 열을 유지하기 위하여 가열 소자(60)를 구비하는 가열기(900)가 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 증류 시스템은 시스템 시동 후에 가열기(900)로부터의 열적 입력없이 정상 상태로 작동할 수 있 다. 이와 달리, 제2 가열기(도시되지 않음)가 작동중에 충분한 열을 유지하기 위해 사용될 수 있고, 가열기는 펄스 모드(pulsed mode)에서 연속적으로 작동하거나 제어기에 의해 제어될 수 있다.
일 특정 실시예에서, 증발기/응축기(600)는 도15에 도시된 바와 같이 코어 튜브(49)용 엘라스토머 튜브 및 쉘 시일(54A, 54B)을 각각 도14A의 단부 평판(48, 50)을 대체하여 구비한 증발기/응축기(600A)이다. 이러한 엘라스토머 튜브 및 쉘 시일은 본 명세서에 참조로 합체된 미국 특허 제4,520,868호에 예시된다. 증발기/응축기(600A) 외부의 툴리스 클램프온 시일(59)은 필요하게 되면 코어 튜브(49)의 교체와, 세척 및 수리를 위한 손쉬운 접근을 허용한다. 외부의 제거 가능한 피팅(47)은 유체 응축기 흐름 입구 포트(70), 액체 제품 출구 포트(66), 증발기 흐름 출구 포트(69), 블로우다운 흐름 출구 포트(65), 액체 입력 포트(64), 및 휘발성 포트(67, volatile port)를 증발기/응축기(600A)에 결합시키는데 사용될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 후막 가열기(thick film heater, 900A)는 섬프(sump) 내의 열을 가열하는데 사용될 수 있고, 가열기(900)와 가열기 소자(60)를 대체한다(도14a 참조).
본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 도16a 및 도16b에 도시된 바와 같이 코어(600)를 대신하여 증발기/응축기(650)가 있을 수 있다. 도16a에 도시된 바와 같이, 증발기/응축기(650)는 평면 증발기/응축기이고, 전통적으로 구리-니켈 합금이나 다른 열전도성 재료로 이루어지고 증기 및 응축된 액체 유동을 안내하기 위한 채널(95, 97)을 생성하는 리브 섹션(90)을 구비하는 다중 평행 코어층(92, 94)을 포함한다. 증기 흡입구(7A) 및 제품 배출구(6A) 매니폴드(뿐만 아니라 도시되지 않은 오물 흡입구 및 휘발성 배출구 매니폴드)는 유체 인터페이스를 통해 액체 링 펌프/압축기(100)에 연결된다. 볼트(88)는 코어 증발기/응축기(650)를 외부 하우징(25)의 브래킷에 고정시킨다. 작동에 있어서, 매번 교대하는 수평식(도16a 및 도16b에 도시된 바와 같이) 열(92, 94)은 두 가지 작용이 임의의 소정 층상에서 결코 중첩하지 않도록 증발기 채널(95) 및 응축기 채널(97)을 포함한다. 도16a의 상세도인 도16b는 결합된 응축기/증발기가 어떻게 매니폴딩 작업하는지 더욱 명료하게 도시한다. 지적된 바와 같이, 열(92)은 열(94)과 상호작용을 하지 않고, 그들은 서로 고립되며, 그럼으로써 수평식 코어층 내에 증발 및 응축 작용을 분리시킨다.
게다가, 본 발명에 따른 다른 특정 실시예는 도17a 내지 도17d에서 도시된 유체 분배 매니폴드(675)를 포함할 수 있다. 도17a는 유체 분배 매니폴드(675)의 일 특정 실시예의 펌프 측면 중에서 일면을 도시한다. 원료 공급원 공급(raw source feed)의 형태로 입력은 포트(64)를 통해 유동하고, 블로우다운 흐름(출력)은 포트(65)를 통해 유동한다. 제품의 형태로 추가적인 출력은 포트(66)를 통해 이동하지만, 반면에 포트/챔버(67)는 휘발물(출력)을 위한 벤트를 제공하고 포트(68)는 액체 링 펌프를 위한 드레인(출력)을 제공한다. 도17b는 유체 분배 매니폴드(675)의 일 특정 실시예의 펌프 측면 중에서 다른 면을 도시한다. 휘발물의 출력을 위한 포트/챔버(67)는 액체 링 펌프를 위한 드레인(68)과 같이 명백하다. 이러한 특정 실시예의 상기 관점에서, 응축기 흐름 안개 제거기 챔버(71, condensor stream mist eliminator chamber)는 안개 포집기 및 드레인 영역(73)과 같이 가시적이다.
도17c는 유체 분배 매니폴드(675)의 일 특정 실시예의 증발기/응축기 측면 중에서 일면을 도시한다. 원료 공급원 공급 포트(64)뿐만 아니라 블로우다운 통로 포트(65) 및 제품 통로 포트(66)는 이러한 관점에서 용이하게 볼 수 있다. 게다가, 증발기 흐름 통로 포트(69) 및 응축기 흐름 통로 포트(70)도 도시될 수 있다.
마지막으로, 도17d는 유체 분배 매니폴드(675)의 일 특정 실시예의 증발기/응축기 측면 중에서 다른 면을 도시한다. 다시 블로우다운 통로 포트(65)는 액체 링 펌프 트레인 포트(68), 제2 응축기 흐름 안개 제거기(71), 증발기 흐름 안개 제거기(72), 및 안개 포집기와 트레인 영역(73)과 같이 가시적이다. 또한, 섬프 레벨 제어 챔버는 제품 레벨 제어 챔버(75) 및 액체 링 펌프 서플라이 공급부(76)과 함께 이러한 관점에서 도시될 수도 있다.
이러한 특정 실시예에서, 유체 분배 매니폴드(675)는 액체 정화 시스템 내에서 대부분의 납땜질(plumbing)을 제거할 수 있고, 유리하게는 유동 조절, 안개 제거, 및 압력 조절과 같은 여러 기능을 한 유닛에 합체시킴으로써, 제조를 단순화시키고 전반적인 구성 부품을 현저하게 감소시킨다. 코어 플레이트 및 매니폴딩은 예컨대 플라스틱, 금속, 세라믹 플레이트, 또는 고온 및 고압에서 견딜 수 있는 임의의 다른 비부식성 재료로 이루어질 수 있다. 코어 플레이트 및 매니폴딩을 위한 제조 방법은 브레이징 및 오버몰딩(over-molding)을 포함한다.
도18a 및 도18b는 특정 실시예에서 시스템 전반에 거쳐 유체가 인터페이스로 접속하는 것을 허용하는 커플러를 도시한다. 예컨대, 도12a에 도시된 흡입/배기 포트(7, 6) 및 교환기(400) 사이에 플로팅 유체 인터페이스가 있을 수 있다. 도18a는 열 교환기 포트(도시되지 않음)에 용접될 수 있는 이런 피팅(61)을 도시하며, 피팅(61)은 유체 분배 매니폴드와 차례로 연통하는 유체 인터페이스(62)에 연결된다. 도18a는 A-A선을 가로지르는 단면도를 도시한다(도18b 참조). 피팅(61)은 온도 및 제조 변동에 의해 발생될 가능성이 있는 정합 상태의 시프트에 대해 보상하기 위하여 부동(float)하는 능력을 가진다. 밀봉은 오-링(63, o-ring)에 의해 달성된다. 도18b에 도시된 관점으로 보여질 수 있는 바와 같이, 중심축 둘레로 A-A선의 90°회전시 오-링(63), 피팅(61) 및 유체 인터페이스(62)는 유체 인터페이스 연결되도록 함께 고정된다.
코어 튜브(49)를 갖는 한쪽의 코어(600) 또는 평행 코어층(92, 94)를 갖는 코어(650)에 대하여, 코어 튜빙 또는 층 채널의 형상은 원통형, 정사각형, 직사각형 등이 될 수 있다. 본 발명에 따른 또 다른 특정 실시예에서, 코어 구성은 액체의 순상변화율(net phase change rate)이 증가하도록 선택될 수 있고, 본 명세서에 참조로 합체된 내용인 "상변화 개선을 위한 방법 및 장치"라는 제목으로 2003년 8월 7일에 출원된 미국 특허 출원 제10/636,303호에 더욱 상세하게 서술된 코어 삽입체를 포함할 수 있다.
스케일 제어는 폴리포스페이트(polyphosphate) 또는 폴리아스파테이트(polyaspartate)를 사용하고, 갈바니 또는 전기화학적 프로세스의 사용을 통한 적절한 부품의 플라즈마 코팅을 거쳐, 유기산(organic acid)과 같은 산처리에 의해, 또는 전기 및/또는 자기장의 사용을 통해 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예는 도19a 및 도19b에 도시된 바와 같이 예컨대 고효율 열 교환기(400A, 400B)를 포함함으로써 전반적인 시스템의 에너지 효율을 양호하게 개선시킬 수 있고, 이러한 열 교환기는 입수 가능한 시스템 또는 열원을 이용한다. 일 특정 실시예에서, 복수의 열원들 중 적어도 하나로부터의 열이 도19a에 도시된 것과 같은 다중라인 열 교환기(400A)를 통과하고, 가령 도면부호 38, 40, 42, 44와 같은 일련의 2채널 열 교환기가 다중라인 효과를 생성하도록 납땜된다. 도19a에 도시된 특정 다중라인 열 교환기 실시예에서, 냉온 흡입(39)의 유동은 모든 열 교환기 유닛(38, 40, 42, 44)을 통과하고, 예컨대 고온 제품(41)인 하나의 열원은 열 교환기 유닛(38, 42)을 통과하고, 예컨대 고온 블로우다운 흐름(43)인 다른 열원은 열 교환기 유닛(40, 44)을 통과한다. 이러한 방식으로, 다중 열원은 차가운 흡입 유동(39)과 교환되도록 사용될 수 있다.
이와 달리, 도19b에 도시된 것과 같은 단일 다중채널 열 교환기(400B)가 사용될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 냉온 흡입(39), 및 예컨대 고온 제품(41) 및 고온 블로우다운 흐름(43)과 같은 열원은 교환기(400B)를 통해 동시에 하지만 반대 방향으로 유동하고, 그럼으로써 단일 열 교환기(400B) 내부의 양 열원(41, 43)으로부터 냉온 흡입(39)와 열 교환할 수 있다. 열 교환기(400)용 열원은 제품 흐름(41), 블로우다운 흐름(43), 시스템 폐열, 증기 펌프 폐열, 모터 폐열, 전원으로부터의 기관 배기열 및 외부 열원을 포함한다. 열 교환기(400)용의 다른 가능한 열원은 실시예가 외부 구동 모터를 이용할 때 모터 권선(motor winding)에 의해서와 같이 흐름 펌프 구동 모터(150)에 의해 생성된 복사열이다. 상술한 바와 같이, 미국 특허 제4,520,868호에 상술된 번들 열 교환기 기술이 본 발명에 따른 열 교환기용으로 사용될 수 있고, 엘라스토머 단부 플레이트가 열 교환기 튜브에 연납 또는 경납된 금속 또는 다른 비탄성체 단부 플레이트를 대신하여 고정된 방향으로 튜브를 밀봉하기 위해 사용될 수 있다.
도1a 및 도1b에 대하여 상술한 바와 같이, 전원(800)은 예컨대 IC 발전기 또는 스털링 기관 발전기가 될 수 있다. 일 실시예에서, 발전기에 의해 생성된 복사열은 흡입 스트립을 가열하는데 사용될 수 있고, 발전기에 의해 생성된 복사열은 열 교환기(400)로 안내된다. 이러한 열 교환기는 도19b에 도시된 것과 같은 3채널 열 교환기의 고온 측면에 최적으로 위치되고, 공급원 액체(39)는 증발기(600)로 유입한다. 도14a 또는 도4[소자(2506)]는 또한 채널 중 하나에 배기열로 이용될 수 있는 이러한 열 교환기를 도시한다.
외부 구동 샤프트 모터가 사용되면, 전반적인 시스템은 냉온 흡입 라인과 직렬인 기어, 격판, "램(ram)" 펌프 종류의 추가적인 "냉온" 유체 펌프를 채택할 수 있다. 특정 실시예에서, 이러한 펌프는 액체 링 펌프와 동일한 회전자 구동 샤프로 구동될 수 있다. 본 발명의 다른 특정 실시예는 유체 흡입 펌프없이 설계될 수 있고, 중력 공급 기구나 또는 진공의 생성이 시스템을 통해 유체를 구동하기 위하여 사용될 수 있다.
다른 특정 실시예에서, 섬프(500)는 예열기 또는 보조 가열기를 채택할 수 있고, 중계 모니터(relay monitor)를 구비한 스위치 및 온도 센서가 섬프 내의 수온 및 열 입력을 조절하도록 채택될 수 있다. 스위치는 가열 상태의 완료를 신호하고 가열 유닛을 턴오프하기 위하여 열평형 스위치, 압력 감지 스위치 또는 열 변환기 및 압력 변환기로부터 선택될 수 있다. 다른 유체 저장소도 역시 온도 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 섬프 내의 온도 센서는 증류기가 가열됨에 따라 증류 초기의 최적 조건을 결정하는데 사용될 수 있다. 온도 센서는 또한 수온의 변화를 검출하는데 채택될 수 있고, 그럼으로써 유체 유동 속도의 조절을 허용하여 전반적인 증류 생산을 유지한다.
일 실시예에서, 도20에 도시된 증발기 및 응축기 압력은 전반적인 시스템 성능을 평가 및/또는 제어 시스템에 데이터를 제공하기 위하여 측정된다. 응축기/증발기(600)의 상승된 온도에 견디는데 요구되는 값비싼 센서의 사용을 피하기 위하여, 압력 센서(PE, PC)는 열 교환기(400)의 냉온 측면과 대응하는 제어 밸브(VE, VC) 사이의 유체 라인 상에 장착된다. 유체가 이러한 위치에 위치된 압력 센서에 대해 유동하고 있을 때 발생하는, 시스템의 실제 압력 이하로 압력을 측정하는 것을 피하기 위하여, 제어 밸브가 유동을 정지시키기 위하여 순간적으로 폐쇄된다. "비유동(no-flow)" 기간동안, 압력은 제어 밸브 후방으로부터 증발기 또는 응축기까지 일정하게 되어, 시스템 압력의 정확한 측정을 가능하게 한다. 이러한 짧은 "비유동" 기간으로부터 증류 성능에 어떠한 역효과도 발생하지는 않는다.
본 발명에 따른 다른 실시예는 도21a에 도시된 바와 같이 흡입(00) 내에 여과 기구를 합체함으로써 최종 정화 액체 제품의 순도를 증가하도록 설계된다. 적어도 2개의 필터 유닛(81, 83)을 결합한 피봇 조인트(82)를 갖는 다중 유닛 플립 필터(80)는 필터 유닛(81, 83)을 통해 유체를 안내하고 중심 피봇 조인트(82)를 중심으로 필터 유닛(81, 83)의 회전을 용이하게 하는 필터 하우징(80A) 내에 배치된다. 도시된 바와 같이, 블로우다운 흐름(43)은 플립 필터 유닛(81)을 통과하는 반면에, 흡입 액체 흐름(39)은 정화하는 도중에 흡입구(00)로부터 플립 필터 유닛(83)을 통해 동시에 유동한다. 약간의 간격 후에, 플립 필터 스위치(도시되지 않음)는 플립 필터(80)를 플립 필터 피벗 조인트(82)에서 점선으로 도시된 중심축을 중심으로 회전시켜서, 오물 흡입 액체로부터 여과된 오염물로 오염된 필터 유닛(83)이 블로우다운 흐름(43)에 의해 역류로 세척되고, 필터 유닛(81)은 흡입 액체 흐름(39)을 여과하는 필터 유닛이 된다. 이러한 실시예에서, 오-링 개스킷(81A, 83A)은 각각 블로우다운 흐름(43) 및 액체 흐름(39)의 액체 유동 루트와 필터 유닛(81, 83) 사이의 시일로서 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 다중 유닛 플립 필터는 도21b에 개략적으로 도시된 다중 분할 원형 필터(80B)일 수 있다. 다중 유닛 플립 필터(80B)는 (81B 및 83B 등의)다수의 플립 필터 유닛이 피봇하는 피봇점(82B)을 갖고, 또한 액체 유동을 개별 필터 유닛(81B, 83B)을 통해 지향시키고 피봇점(82B)에 대한 필터(80B)의 회전을 용이하게 하는 필터 하우징(80C) 내에 위치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 액체 흐름(39)를 흡입하는 동시에 하나의 플립 필터 유닛(81B)을 통과한 배출 흐름(43)은 정화 중에 흡입구(00)로부터 플립 필터 유닛(83B)으로 유동한다. 도21b에서와 같이, (도시되지 않은) 플립 필터 스위치는 플립 필터 피봇점(82B)에 점선으로 도시된 중심축을 중심으로 플립 필터(80B)를 회전시켜서, 더러운 흡입 액체로부터 필터링된 오염물로 오염된 필터 유닛(83B)은 배출 흐름(43)에 의해 역류로 세척되고, 필터 유닛(81B)은 흡입 액체 흐름(39)를 필터링하는 필터 유닛이 된다. 도면 부호 81B-1 및 83B-1로 지시된 일련의 밀봉부가 개별 필터 유닛(81B, 83B) 사이에 활용되어, 하나의 필터 섹션을 통해 유동하는 배출 흐름(43)와 다른 필터 섹션을 통해 유동하는 흡입 액체 흐름(39)를 분할한다.
다르게는, 도22에 개략적으로 도시된 것과 같은 수동 밸브(85)가 물 유동 방향을 수동으로 바꾸도록 채택될 수 있다. 이런 밸브는 예컨대 배출 흐름(43)를 사용하여 각 플립 필터의 하나의 유닛을 연속적으로 세척하는 것을 가능하게 하고, 단일 작동에 의해 효과적으로 절환되어 유닛이 필터링되고 역류에 의해 세척됨으로써 사실상 필터(80) 자체를 털 필요없이 필터 유닛(81, 83)을 백 워싱한다. 도22에서 알 수 있듯이, 밸브(85)가 위치(A)에 있는 하나의 특정 실시예에서, 필터 유닛(81)은 흡입 액체(39)를 필터링하고, 필터 유닛(83)은 배출 흐름(43)에 의해 백 워싱된다. 위치(B)로 밸브(85)를 절환하면, 필터 유닛(81)은 배출 흐름(43)에 의해 백 워싱되고, 필터 유닛(83)은 도입 액체(39)를 필터링한다.
도시되지 않은 다른 특정 실시예에서, 상황에 따라 폐기물 배출용 펌프를 갖는 보유 탱크를 포함하는 외부 시스템이 있을 수 있다.
일반적으로 전술한 특정 실시예는 전형적으로 약 68.94 kPa(10 psig) 대기압 이상 작동한다. 이러한 시스템은 더 높은 압력에서 더 높은 증기 밀도를 효과적으로 제공함으로써, 낮은 압력에서보다 더 많은 증기가 용적식 펌프(positive displacement pump)를 통해 펌핑되는 것을 허용한다. 결과적으로 더 높은 처리량은 전반적으로 개선된 시스템 효율을 제공한다. 또한, 더 높은 처리량 및 더 높은 시스템 압력은 압축기(100)를 위해 요구되는 동력을 감소시키고, 응축 생성물을 펌핑하기 위한 것(41)과 배출 흐름을 펌핑하기 위한 것(43)의 2개의 추가적인 펌프에 대한 요구를 배제한다. 많은 형태가 외부 압력보다 더 큰 내부 압력을 견디기 때문에 전체 구조는 단순화된다. 중요하게는, 초대기압(super-atmospheric pressure)에서의 작동은 전체 효율 및 성능 상의 부차적인 누수의 영향을 감소시킨다. 공기와 같은 응축 불가능 기체는 응축 공정을 제지하고, 대기압 미만에서 증대되어 초과 대기압에서 작동하는 시스템 내에서 발생하지 않는 임의의 것을 부차적인 누수가 공기 내에서 흡입하도록 작용한다.
본 발명의 실시예들이 대기압 이상에서 작동될 때, 신규한 배압 조절기가 시스템의 작동 압력을 제어하도록 사용될 수 있다. 도23a 및 도23b는 본 발명의 실시예에 따른 배압 조절기의 도면을 도시하고 있다. 배압 조절기(1100)는 오리피스(1110)를 수용하는 용기(1150)를 갖는다. 오리피스의 일측은 변동하는 높은 압력에 노출될 수 있는 시스템의 가압된 도관(예컨대, 증기 압축 증류 시스템 내에 압축기의 출구)에 연결된다. 오리피스의 타측은 포트(1170) 내로 연결된다. 포트(1170)는 볼의 형상으로 된 이동 가능한 정지부(1130)에 의해 커버된다. 정지부(1130)는 피봇 핀(1140)으로부터 정해진 거리에 리테이너(1160)에 의해 아암(1120)에 보유된다. 아암(1120)은 오리피스 포트(1170)에 대해 정해진 지점에 피봇 핀(1140)을 통해 힌지에 의해 부착된다. 아암(1120)은 아암으로부터 현수되고 축(1190)을 따라 이동 가능한 평형추(1180)를 포함하여, 평형추(1180)와 피봇 핀(1140) 사이의 거리는 변할 수 있다. 도23a에 도시된 실시예에서, 오리피스(1110)의 축방향은 중력 벡터(1195)의 방향과 수직이다. 배압 조절기는 외부 물질이 조절기로 도입하고 내부 구성 성분의 기능을 방해하는 것을 방지하는 하우징을 포함 할 수도 있다.
도23a 및 도23b에 도시된 실시예를 작동함에 있어서, 아암(1120)은 가압된 도관 내의 압력이 소정의 설정값 이하일 때 중력 방향(1195)에 대해 수평 상태를 유지하고, 이 실시예에서 이 아암 위치는 폐쇄 위치이며 포트(1170)를 커버하는 정지부(1130)에 대응한다. 도관 내의 압력이 설정값을 초과하면, 힘이 정지부(1130) 상에 작용하고 피봇 핀(1140) 둘레에 작용하는 토크를 야기한다. 토크는 아암(1120)을 피봇 핀(1140)을 중심으로 반시계 방향으로 회전시켜서, 아암이 폐쇄 위치로부터 멀리 이동하도록 하고 포트(1170)를 노출시키며 유체가 오리피스(1110)로부터 빠져 나가는 것을 허용한다. 도관 내의 압력이 설정값 이하로 감소하면, 기체의 힘은 폐쇄 위치로부터 아암(1120)을 떨어지게 유지하기 충분하지 않고, 그로 인해 아암(1120)은 폐쇄 위치로 복귀하고 정지부(1130)는 포트(1170)를 커버한다.
도23a 및 도23b의 실시예에서, 아암(1120)은 조정 가능한 모멘트를 생성하는 레버로서 작용하고 평형추(1180)에 의해 인가된 힘을 정지부(1130)를 통해 포트(1170)로 증폭시키도록 작용한다. 이런 힘 증폭은 압력 조리기와 같은 것에서 정지부(1130)가 단독으로 오리피스(1110)의 상부 상에 수직으로 작용하는 설계와는 반대로 오리피스(1110)를 폐쇄하기 위해 요구되는 무게를 감소시킨다. 따라서 가압된 도관으로부터 급속한 배출을 촉진시키기 위한 큰 포트 크기는 상대적으로 가볍고 큰 크기의 정지부와 원하는 설정값을 조정하도록 작동하는 평형추에 의해 커버될 수 있고, 특정 포트 크기 및 정지부 특성을 선택하는데 더 적은 설계 노력이 소비될 수 있다. 본 실시예에서 평형추(1180)의 위치를 조절하기 위한 축(1190)의 추가는 증폭률의 변화를 허용한다. 평형추(1180)가 피봇 핀(1140)에 더 가까운 위치로 이동함에 따라, 증폭률은 감소하고 더 낮은 페쇄력을 생성한다. 평형추(1180)가 피봇 핀(1140)으로부터 더 멀리 이동하면, 증폭률은 증가하고 그에 따라 폐쇄력은 증가한다. 따라서, 평형추(1180)의 위치는 효과적으로 배압 조절기의 설정값을 조정하도록 작용한다.
배압 조절기가 더 높은 고도에서 시스템 내에 사용될 때, 배압 조절기 설정값의 조정이 유용할 수 있다. 대기압이 더 낮으면, 시스템 작동 압력은 동일한 정도로 더 낮아진다. 결과적으로, 증류 장치의 온도는 하강하고, 시스템 성능에 악영향을 줄 수 있다. 더욱이, 이런 조정은 마지막 사용자에 의해 요구되는 배압 조절기용 설정값을 동일하게 한다. 폐쇄력을 인가하기 위한 평형추의 사용은 또한 배압 조절기의 비용을 저감시키고 구성 성분의 피로를 감소시킬 수도 있다. 본 발명의 특정 실시예에서, 조정 평형추는 설정값의 범위를 68.94 kPa(10 psig) 이하의 최저 설정값과 117.21 kPa(17 psig) 이상의 최고 설정값을 허용하도록 설계된다. 이런 본 발명의 실시예들은 단순히 안전 밸브로서 작용하는 장치와는 달리 정밀한 시스템 압력 조절을 허용한다.
도24a 및 도24b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 오리피스(1210)는 포트(1270)가 중력 방향(1295)에 대해 수직으로 배향되도록 구성된다. 이와 같은 본 발명의 다른 실시예들은 조정 평형추의 사용을 유지하면서 임의의 오리피스 배향을 수용할 수 있다.
도23a, 도23b 및 도25에 도시된 본 발명의 실시예에서, 용기(1150)는 배수 오리피스(1115)를 포함한다. 배압 조절기(1100)가 큰 시스템(1320)의 경계 영역(1310) 내에서 작동할 수 있기 때문에, 배수 오리피스(1115)는 가압된 도관(1340)로부터 오리피스(1110)를 통해 경계 영역(1310) 내로 제거되는 유체를 방출하기 위한 통로로써 작용한다. 배수 오리피스(1115)는 경계 영역(1310)을 더 큰 시스템의 다른 영역이나 외부 분위기(1330)에 연결할 수 있다. 또한, 경계 영역(1310) 내의 기체의 증가는 이런 기체의 응축을 야기할 수 있다. 또한, 오리피스(1110)를 통해 제거된 기체는 액적을 동반하여 경계 영역(1310) 내에 축적될 수 있다. 따라서 배수 오리피스(1115)는 또한 경계 영역(1310) 내에 축적된 임의의 응축물의 증가를 제거하는데 사용될 수도 있고, 응축물은 또한 개별 오리피스(1350)를 사용하여 경계 영역으로부터 방출될 수도 있다.
배압 조절기는 시스템 내에 증발을 제지하고 열교환을 격리하도록 작용하는 휘발성 기체의 증가를 제거하도록 설정값 이하의 작은 누수율을 허용하도록 구성될 수 있지만, 조절기는 이 작은 누수 대신에 가압된 도관 내에서 압력이 증가하는 것을 허용하도록 설계된다. 본 발명의 실시예에서, 가압된 도관으로부터의 휘발성 구성 성분을 배압 조절기의 설정값 이하로 방출하는 것은 배압 조절기의 아암이 폐쇄 위치에 있으면서 특별히 설계된 누수 출구를 통해 달성될 수도 있다. 누수 출구는 도관 내의 압력이 설정값 이하이면서 오리피스나 포트로부터 소정의 누수율을 허용하도록 구성된다. 이런 누수 출구는 당해 기술 분야의 숙련자에게 공지된 다양한 수단에 의해 설계될 수 있다. 제한적이지 않은 예들은 아암이 폐쇄 위치에 있으면서 작은 개구를 허용하도록 정지부 및 포트의 특별한 위치 설정 단계와, 정지부에 의해 커버될 수 없는 작은 개구가 항상 노출되도록 포트를 설계하는 단계와, 아암이 폐쇄 위치에 있을 때 특히 견고하고 정지부와 포트 사이에 이질감 없는 밀봉을 지정하는 단계와, 유체의 누수를 허용하도록 작은 개구를 갖는 포트로 연결된 오리피스를 구성하는 단계를 포함한다.
배압 조절기의 설정값 이하로 휘발성 물질의 누수를 하도록 된 본 발명의 특정 실시예에서, 포트(1410)는 도26a에 도시된 바와 같은 작은 노치(1420)와 도26b에 도시된 도26a의 영역(C)의 확대부를 갖는다. 따라서, 배압 조절기의 아암이 폐쇄 위치에 있을 때 정지부가 포트(1410)와 접촉하면, 누수 출구는 노치(1420)를 통해 작은 누수를 허용하게 된다. 본 발명의 다른 특정 실시예에서, 오리피스(1510)는 도27a 및 도27b에 도시된 도27a의 영역(E)의 확대부에 도시된 작은 개구(1520)를 갖는다. 개구(1520)는 유체가 개구(1520)를 통해 누수될 수 있기 때문에 정지부가 포트(1510)를 커버할 때 누수 출구가 존재하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 배압 조절기의 다양한 구성은 변경되거나 수정될 수 있다. 예컨대, 배압 조절기에 사용되는 정지부는 본 명세서에 개시된 발명의 일부 실시예들에 도시된 볼 형상일 필요가 없고, 원하는 작동 조건에 따라 임의의 형상, 크기 또는 질량을 가질 수 있다. 더욱이, 유사한 크기의 다른 무게를 갖는 정지부가 조절기의 설정값을 변경하도록 리테이너에 사용될 수도 있다. 마찬가지로, 아암 구조 및 축에 의해 수용되기만 한다면 (도23a 및 도23b의 1180과 도24a 및 도24b의 1280을 비교) 다른 크기, 형상 및 질량의 평형추가 본 발명의 실시예들 에 사용될 수 있고, 이런 평형추는 당해 기술 분야의 숙련자에게 명백한 임의의 다양한 기술에 의해 아암에 대해 부착 및 배향될 수 있다. 피봇 핀 배치는 도23 및 도24에 도시된 위치일 필요는 없으며, 특정 압력 설정값을 달성하기 위해 요구되는 기계적 잇점을 제공하기에 유리한 곳이라면 위치될 수 있다.
본 발명의 실시예는 상술한 배수 오리피스 특징을 선택적으로 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 배압 조절기에 설정점을 제공하도록 정지부의 특정 특성에 의존하여 카운터 질량 힘 조절 특징을 이용하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 용기를 이용하지 않고 시스템의 본질부인 오리피스에 의존할 수 있다. 이러한 상황에서, 배압 조절기 아암은 아암, 정지부 및 카운터 질량이 조절기의 작동을 위해 적절하게 배향되도록 시스템의 부분에 직접 부착될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예는 초기 수질에 무관하게 모든 환경에서 사용하기 위한 신뢰적인 음료수원을 제공할 수 있는 저비용, 용이한 유지성, 고효율, 휴대용 및 2중 안전성 액체 정화 시스템을 유리하게 제공할 수 있다. 본 발명의 시스템은 예를 들면 휴대용 전원 및 적당한 전력 예산을 사용하여 개인용 또는 한정 집단 등급에 대한 식음용 또는 의료용 적용을 위한 휴대용 물의 연속적인 흐름을 생성하는 것을 의도한다. 예를 들면, 소정의 효율비에서, 본 발명의 시스템은 대략 500 W의 전력 예산으로 시간당 대략 38.0 ℓ(10 gal)의 물을 생성하는데 이용될 수 있다. 이는 매우 효율적인 열 전달 프로세스 및 다수의 서브-시스템 설계 활용을 통해 성취될 수 있다.
작동 온도, TDS 및 유체 유동의 인식은 원천수의 광범위한 분위기 온도, 압력 및 용해된 고체 함량 하에서 휴대용 물의 생성을 허용하기 위한 정보를 제공한다. 일 특정 실시예는 측정치(T, P, TDS, 유량 등)가 간단한 알고리즘 및 룩업 테이블과 연계되어 사용되어 조작자 또는 컴퓨터 제어기가 현존하는 분위기 조건 하에서 최적 성능을 위한 작동 파라미터를 설정하는 것을 허용하는 제어 방법을 이용할 수 있다.
본 발명이 그의 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당 기술 분야의 숙련자에게 명백한 바와 같이 부가의 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 모든 변형 및 수정은 명세서에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (129)

  1. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 입력 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 또한 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하기 위해 상기 입력부에 연결된 증발 응축기로서, 상기 증발 응축기는 복수의 병렬 코어 증발기 튜브를 포함하며, 각각의 튜브는 섬프와 연통하는 제1 개방 단부 및 헤드 챔버와 연통하는 제2 개방 단부를 갖는, 증발 응축기와,
    c) 증발 응축기로부터 증기를 수집하기 위한 헤드 챔버와,
    d) 증발 응축기와 연통하며, 증기를 압축하기 위한 증기 펌프를 포함하는 액체 증류 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증기 펌프는 단일 연속 내부 구동 샤프트와, 완전 회전 가능 하우징을 갖는 편심 회전자를 포함하며, 상기 완전 회전 가능 하우징은 회전 가능 하우징 샤프트에 의해 지지되는 액체 증류 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 편심 회전자는 출구를 각각 갖는 챔버들에 의해서 분리된 복수의 베인을 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 증기 펌프는 재생식 블로어를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 증기 펌프는 액체 링 펌프를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 고온 가스를 냉각시키고 휘발성을 제거하도록 휘발성 혼합기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 입력부는 하나 이상의 열원에 연결된 액체 증류 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 액체가 시동시 예열될 수 있는 섬프를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 응축기 내에 압력을 유지하고 조절하기 위한 조절기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 응축된 액체 제품의 수집을 위해 또한 블로우다운 흐름을 재생하기 위해 입력부에 부가로 연계된 출력부를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 흡입구에 연결된 전처리 조립체를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 액체 전처리 조립체는 여과, 탈기, 화학 개질, UV 노광, 폴리포스페이트, 폴리아세테이트, 폴리아스파테이트 또는 유기산에 의한 처리, 산성화, 발진 전기장으로의 노출 및 압축을 포함하는 복수의 처리 중 하나 이상을 수행하는 액체 증류 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 시동시에 흡입 액체를 가열하기 위한 가열 유닛을 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 가열 상태의 완료를 신호하고 가열 유닛을 턴오프하기 위하여 열평형 스위치, 압력 감지 스위치 또는 열 변환기 및 압력 변환기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 스위치를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 하나 이상의 열원으로부터의 열이 입력 액체와 교환되도록 입력부로부터 액체를 수용하기 위한 열 교환기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 하나 이상의 열원은 제품 흐름, 블로우다운 흐름, 시스템 폐열, 증기 펌프 폐열, 모터 폐열, 전원으로부터의 기관 배기열 및 외부 열원을 포함하는 액체 증류 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 열 교환기는 다수의 열원으로부터의 열을 입력 액체와 교환하기 위한 다중 라인 교환기인 액체 증류 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 구동부는 전기 모터를 포함하는 액체 증류 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 증발 응축기는 전기 히터를 포함하는 액체 증류 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 액체가 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위해 입력부 내에 두 개 이상의 유닛을 갖는 다중 유닛 필터를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 필터는 플립 필터인 액체 증류 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 오염을 방지하도록 필터 유닛을 백 워싱하기 위해 플립 필터를 주기적으로 회전하기 위한 기구를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 헤드 챔버로부터 전환된 블로우다운 흐름에 의해 필터를 백 워싱하는 전환기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 필터를 백 워싱하는데 필요한 블로우다운 흐름의 최소 유량을 제공하기 위해 전환기에 연결된 조절기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 오염을 방지하도록 필터 유닛을 백 워싱하기 위해 플립 필터를 주기적으로 회전하기 위한 기구를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 오염을 방지하도록 백 워싱하기 위해 상기 필터를 통해 유동하는 액체의 공급원 및 방향을 변경하기 위한 스위치를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 시스템에 연결된 전원을 더 포함하고, 상기 전원은 청정 연소 발전기인 액체 증류 시스템.
  29. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 또한 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하기 위해 입력부에 연결된 증발 응축기로서, 상기 증발 응축기는 복수의 병렬 코어 증발기 튜브를 포함하며, 각각의 튜브는 섬프와 연통하는 제1 개방 단부 및 헤드 챔버와 연통하는 제2 개방 단부를 갖는, 증발 응축기와,
    c) 증발 응축기로부터 증기를 수집하기 위한 헤드 챔버와,
    d) 증발 응측기와 연통하며, 증기를 압축하기 위한 증기 펌프로서,
    1. 내부 구동 샤프트 및
    2. 편심 회전자를 포함하는 증기 펌프와,
    e) 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위해 상기 입력부 내에 두 개 이상의 필터 유닛을 갖는 다중 유닛 필터를 포함하는 액체 증류 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 헤드 챔버로부터 전환된 블로우다운 흐름에 의해 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하는 전환기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  31. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 또한 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하기 위해 입력부에 연결된 증발 응축기와,
    c) 증발 응축기로부터 증기를 수집하기 위한 헤드 챔버와,
    d) 증발 응측기와 연통하며, 증기를 압축하기 위한 증기 펌프로서,
    1. 내부 구동 샤프트 및
    2. 편심 회전자를 포함하는 증기 펌프와,
    e) 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위해 상기 입력부 내에 두 개 이상의 필터 유닛을 갖는 다중 유닛 필터와,
    f) 상기 헤드 챔버로부터 전환된 블로우다운 흐름에 의해 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하는 전환기와,
    g) 상기 헤드 챔버로부터 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하는데 필요한 블로우다운 흐름의 최소 유량을 제공하기 위해 전환기에 연결된 조절기를 포함하는 액체 증류 시스템.
  32. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 또한 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하기 위해 입력부에 연결된 증발 응축기와,
    c) 증발 응축기로부터 증기를 수집하기 위한 헤드 챔버와,
    d) 증발 응측기와 연통하며, 증기를 압축하기 위한 증기 펌프로서,
    1. 내부 구동 샤프트 및
    2. 편심 회전자를 포함하는 증기 펌프와,
    e) 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위해 상기 입력부 내에 두 개 이상의 필터 유닛을 갖는 다중 유닛 플립 필터와,
    f) 상기 헤드 챔버로부터 전환된 블로우다운 흐름에 의해 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하는 전환기를 포함하는 액체 증류 시스템.
  33. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 또한 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하기 위해 입력부에 연결된 증발 응축기와,
    c) 증발 응축기로부터 증기를 수집하기 위한 헤드 챔버와,
    d) 증발 응측기와 연통하며, 증기를 압축하기 위한 증기 펌프로서,
    1. 내부 구동 샤프트 및
    2. 편심 회전자를 포함하는 증기 펌프와,
    e) 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위해 상기 입력부 내에 두 개 이상의 필터 유닛을 갖는 다중 유닛 플립 필터와,
    f) 상기 헤드 챔버로부터 전환된 블로우다운 흐름에 의해 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하는 전환기와,
    g) 오염을 방지하도록 플립 필터를 주기적으로 회전하기 위한 기구를 포함하는 액체 증류 시스템.
  34. 제29항에 있어서, 복수의 열원 중 하나 이상의 열원으로부터의 열이 입력 액체에 추가되도록 입력 액체를 수용하기 위한 열 교환기를 더 포함하는 액체 증류 시스템.
  35. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 또한 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하기 위해 입력부에 연결된 증발 응축기와,
    c) 증발 응축기로부터 증기를 수집하기 위한 헤드 챔버와,
    d) 증발 응측기와 연통하며, 증기를 압축하기 위한 증기 펌프로서,
    1. 내부 구동 샤프트 및
    2. 편심 회전자를 포함하는 증기 펌프와,
    e) 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위해 상기 입력부 내에 두 개 이상의 필터 유닛을 갖는 다중 유닛 필터와,
    f) 복수의 열원 중 하나 이상의 열원으로부터의 열이 입력 액체에 추가되도록 입력 액체를 수용하기 위한 열 교환기를 포함하며,
    상기 복수의 열원 중 하나 이상의 열원은 제품 흐름, 블로우다운 흐름, 시스템 폐열, 증기 펌프 폐열, 모터 폐열, 전원으로부터의 배기열 및 외부 열원을 포함하는 액체 증류 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 상기 열 교환기는 입력 액체와 열을 교환하기 위한 다중 라인 열 교환기인 액체 증류 시스템.
  37. 삭제
  38. 삭제
  39. 액체 증류 시스템이며,
    a) 미처리 액체를 수용하기 위한 입력부와,
    b) 액체를 증기로 변환하기 위해 상기 입력부에 연결된 증발기와,
    c) 증기를 압축하기 위한 증기 펌프로서,
    i. 내부 구동 샤프트와,
    ii. 회전 가능한 하우징을 갖는 편심 회전자와,
    iii. 액체를 증기 펌프로 펌핑하는 사이폰 펌프를 포함하는 증기 펌프와,
    d) 상기 증기 펌프와 연통하고 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 변환하는 응축기를 포함하는 액체 증류 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 증기 펌프는 액체 링 펌프를 포함하는 액체 증류 시스템.
  41. 액체를 증류하기 위한 방법이며,
    a) 헤드 챔버를 채우는 증기를 형성하기 위해 증발 응축기 내의 미처리 입력 액체를 증발시키는 단계와,
    b) 헤드 챔버 내에 증발 응축기로부터 증기를 수집하는 단계와,
    c) 압축된 증기를 생성하기 위해 회전 가능한 하우징 샤프트에 의해 지지되는 완전 회전 가능한 하우징을 갖는 편심 회전자 및 연속 내부 구동 샤프트를 사용하고 축방향 공급을 위한 하나 이상의 흡입구를 갖는 증기 펌프 내의 증기를 회전시킴으로써 증기를 압축하는 단계와,
    d) 내부 압력을 갖는 증발 응축기 내의 압축된 증기를 증류된 액체 제품으로 응축하는 단계와,
    e) 증발된 미처리 액체로부터 블로우다운 흐름 내의 총 용존 고체를 측정하는 단계와,
    f) 총 용존 고체가 지정된 정도보다 높으면 미처리 액체 공급원의 공급량을 조절하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  42. 제41항에 있어서, UV광 노출, 폴리포스페이트, 폴리아세테이트, 폴리아스파테이트 또는 유기산에 의한 처리, 산성화, 발진 전기장 또는 자기장에의 노출을 포함하는 적어도 하나의 전처리 방법을 이용하여 미처리 액체를 전처리하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  43. 제41항에 있어서, 응축기의 내부 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  44. 제43항에 있어서, 초대기압을 유지하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  45. 삭제
  46. 제41항에 있어서, 액체가 증발 응축기에 의해 수용되기 전에 액체를 여과하기 위하여 입력부 내에 2개 이상의 필터 유닛을 갖는 다중 유닛 필터를 배치하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  47. 제46항에 있어서, 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하기 위하여 헤드 챔버로부터 블로우다운 흐름을 전환시키는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 하나 이상의 필터 유닛을 백 워싱하는데 필요한 최소 유량을 제공하기 위하여 블로우다운 흐름을 조절하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  49. 제47항에 있어서, 상기 필터는 플립 필터인 액체 증류 방법.
  50. 제49항에 있어서, 오염을 방지하기 위하여 규칙적인 간격으로 플립 필터를 회전시키는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  51. 제41항에 있어서, 펌프를 구동하기 위하여 전기 모터를 사용하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  52. 제51항에 있어서, 시간당 37.85 리터(10 gal)의 정화된 액체를 생산하기 위하여 500 와트의 전력 예산으로 시스템을 작동시키는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  53. 제52항에 있어서, 시간당 11.36 내지 30.28 리터(3 내지 8 gal)의 정화된 액체를 생산하기 위하여 250 내지 400 와트 사이의 전력 예산으로 시스템을 작동시키는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  54. 제41항에 있어서, 시스템에 청정 연소 발전기를 연결하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  55. 제54항에 있어서, 시스템에 청정 연소 발전기를 연결하는 단계를 더 포함하고, 상기 발전기에 의해서 발생된 배출물은 CO2, N2 및 물을 포함하는 액체 증류 방법.
  56. 제54항 또는 제55항에 있어서, 전처리 산성화 및 흡입 액체의 가열을 위하여 상기 배출물을 흡입 액체로 유도하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  57. 제41항에 있어서, 흡입 구멍과 출구 구멍을 각각 갖는 챔버들에 의해서 분리된 복수의 베인을 갖는 편심 회전자를 이용하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  58. 제41항에 있어서, 증기 펌프 내에서 증기로부터 포획된 액적을 제거하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  59. 제41항에 있어서, 섬프에 연결된 증발기를 이용하는 단계를 더 포함하고, 상기 증발기는 복수의 병렬 튜브를 갖고, 각각의 튜브는 섬프와 연통하는 제1 단부와 헤드 챔버와 연통하는 제2 단부를 갖는 액체 증류 방법.
  60. 제41항에 있어서, 증류된 액체 제품을 후처리하는 단계를 더 포함하고, 상기 후처리 단계는 식용성을 유지하기 위해 UV광 노출을 이용하는 것을 포함하는 액체 증류 방법.
  61. 제41항에 있어서, 입력부로부터 액체를 수용하는 열 교환기를 이용하는 단계를 더 포함하고, 하나 이상의 열원으로부터의 열이 입력 액체와 교환되는 액체 증류 방법.
  62. 제61항에 있어서, 제품 흐름, 블로우다운 흐름, 시스템 폐열, 증기 펌프 폐열, 배기 가스 열 및 외부 열원을 포함하는 하나 이상의 열원으로부터 열 교환기 내의 액체와 열을 교환하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  63. 제61항에 있어서, 제품 흐름 및 블로우다운 흐름으로부터의 열을 입력 액체와 교환하기 위한 3라인 열 교환기를 이용하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
  64. 제41항에 있어서, 개시전 시스템을 최소량의 액체로 프라이밍하는 단계를 더 포함하는 액체 증류 방법.
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