고체 물질 및 가스를 포함하며 프로세스를 강화하는 방법및 장치 document_id A220623051350

어떠한 열 흐름도 온도 차이 없이 가능하지 않다. 그러므로 공기/가스 및 물체의 표면 사이의 열 유동은 가스 및 표면 사이의 온도차에 정비례할 것이고, 표면 전도성, 즉 Φ=h(ta-ts)을 갖는데, 여기서 Φ는 열 유동, h는 표면 전도성, ts는 표면 온도 및 ta는 주변 가스 온도를 나타낸다. 표면 전도성은 W/m2K로 측정된다. 열 에너지는 온도가 감소하는 방향으로 이동하는 경향이 있다. 열 전달은 전도, 대류 또는 방사의 프로세스에 의해서 발생할 수 있다. 열은 분자의 영구적인 움직임에 관련된 에너지이고, 온도는 이런 움직임의 세기의 측정치이다. 다른 온도의 물질이 접할 때, 더 강한 분자는 충돌에 의해 그들의 열 에너지의 일부를 덜 강한 분자로 전달한다. 이 프로세스가 열 전도 프로세스이다. 이는, 열이 불투명한 고체를 통해 흐를 수 있는 유일한 방법이다. 열 에너지는 전도에 의해서 가스를 통해 이동될 수 있고 또한, 한 영역으로부터 다른 영역으로의 가스의 움직임에 의해 이동될 수 있다. 이런 가스 움직임에 관련된 열 이동 프로세스는 대류라 칭해진다. 가스 움직임이 온도 차에 의해서 성립되는 부양력에 의해서만 야기될 때, 프로세스는 자연 대류 또는 자유 대류라 칭해지지만, 가스 움직임이 팬(fan) 등과 같은 일부 다른 메커니즘에 의해 야기되면, 강제 대류라 칭해진다. 거의 모든 특별히 발생하는 가스 흐름에 대해서, 흐름 상황은, 흐름 상황이 얇게되는(도2a에서 예컨대 203으로 보여짐) 모든 표면을 덮는 층을 제외하고, 스트리밍 체적의 전체에서 소용돌이칠(turbulent) 것이다. 이런 층은, 주로 얇은 층으로 된 서브 층(laminar sub-layer)이라 칭해진다. 이런 층의 두께는 흐름의 레이놀즈 수(Reynolds number of the flow)의 감소 함수이므로, 높은 흐름 속도에서, 얇은 층으로 된 서브층의 두께가 감소할 것이다. 얇은 층으로 된 서브 층을 가로지르는 열 이동은, 얇은 층으로 된 흐름의 특성으로 인해 전도 또는 방사에 의할 것이다. 방사를 고려하면, 모든 물리적인 물체는 계속 전자기적인 방사의 방출에 의해서 에너지를 손실하고 그들 상에서 발생하는 다른 물체로부터의 일부 방사를 흡수함으로써 에너지를 얻는다. 이런 방사에 의한 열 이동 프로세스는 방사 물체 사이의 공간에 어떤 물체 없이 발생할 수 있다. 전도를 고려하면, 얇은 층으로 된 서브층을 가로지르는 질량 이동은 다만, 확산에 의해 이루어질 것이다. 열 교환기에 관한 기술에서, 가스로부터 고체 표면으로의 열 이동 또는 전송에 대한 주요 장애는 가스의 경계층인데, 이는 고체 표면에 들러붙게 된다. 가스의 움직임이 충분히 소용돌이칠 때에도, 열 전송을 방해하는 얇은 층으로 된 서브층이 존재하게 된다. 소닉을 갖는 가스를 이동시키거나, 외부 진동 발생기로 구획을 진동시키는 것과 같이, 상기 문제를 극복하기 위한 다양한 방법 및 유형이 제안되고 있고, 이들 방법이 어느 정도 효과적이지만, 이들 방법은, 얇은 층으로 된 서브층을 효과적인 최소화하는 동시에 이들 방법을 유효화시키기에 충분한 크기의 영역을 커버하는데는 그 능력이 제한된다. 마찬가지로, 촉매 표면과의 가스 반응을 포함하는 촉매 프로세스의 속도는, 많은 것들 중에서도 가스 분자와 촉매 표면 간의 상호 작용에 의해 제한되는데, 즉 촉매 표면으로 반응물의 공급 및 촉매 표면으로부터 반응 생성물의 이동에 의해서 제한된다. 그러므로, 촉매 표면을 덮는 얇은 층으로 된 서브층을 통한 질량 이동은 단지 반응물 및 반응 생성물의 확산에 의해 행해질 수 있다. 유사하게, 가스의 한 종류 또는 가스들의 혼합물이 가스의 다른 조성물로 능동적으로 바뀔 때 용기의 내부 표면을 플러시(flush) 하는데 필요로 되는 시간이 얇은 층으로 된 서브층 내의 가스를 바꾸도록 하는 시간으로 제한된다. 이런 변화는 단지 확산에 의해 행해질 수 있다. 특허 명세서 US 4,501,319호는 두 유체 사이(즉, 물체 및 가스/공기 사이가 아님)의 증가된 열 이동에 관한 것이고, 정상파 패턴을 정함으로써 얇은 층으로 된 서브층의 두께를 최소화시켜 증가된 열 이동을 제공한다. 그러나 얇은 층으로 된 서브층을 최소화하기 위한 정상파 패턴의 사용은 매우 효과적이지 않고 얇은 층으로 된 서브층의 변화를 가져오지 않는데(이로써 열 이동이 증가함), 정상파 패턴의 선명도가 표면에 걸쳐 노드의 고정적이고 반복적인 위치를 포함하기 때문이다. 이런 노드에서, 가스 분자의 어떠한 배기 또는 속도도 없다. 미국 명세서 US 4,835,958호는 가스 터빈의 회전할 수 있는 블레이드(blade) 상에서 생산 동작을 위한 프로세스를 개시한다. 개시된 프로세스는 냉각 미디어로써 스트림 및 노즐의 표면상에서 얇은 층으로 된 스트림 필름의 분열을 포함하여 증가된 열 이동을 가능하게 한다. 이는 소닉 충격을 정하여 얇은 층으로 된 서브층을 붕괴시킨다. 충격파에 의해서 덮히는 표면 에어리어는 충격파를 발생시키는데 사용되는 표면 에어리어와 비교되어야만 하고 제안된 방법은 본 발명에서 행해지는 것만큼 큰 에어리어를 통해 얇은 층으로 된 서브층을 감소시키지 않는데(이로써 열 이동을 증가시킴), 초음파가 충격파보다 해당 물체의 더 큰 부분을 통해 퍼지기 때문이다. 특허 명세서 US 6,629,412호는 열 및 전기 둘 다를 생성하는 터빈 발생기에 관한 것이다. 설명은 열 교환기를 포함하는데, 이는 (열 교환기의 표면에서 공동에 의해 형성된) 음향 공진기를 사용하여 얇은 층으로 된 경계층의 형성을 막는다. 공진기는 열 교환기의 표면에 걸쳐 가스 흐름과 같은 음향 와동(acoustic vortices)을 발생시키고, 이로써 표면에 걸쳐 가스에 소용돌이를 발생한다. 발생된 소용돌이는 얇은 층으로 된 층의 크기를 감소시키지만(도2a 참조), 발생된 음향 에너지는 충분히 높지 않아서, 서브층을 최소화시키는 데는 충분히 효과적이지 않다. 특허 명세서 JP 07112119호는 초음파를 적용하는 촉매 프로세스를 강화하여 다공성 고체 촉매를 통해 유동 경계 필름을 어지럽히는 것에 관한 것이다. 배열은 격막(diaphragm)을 통해 소스/발진기로부터 그 후에 가스로 초음파의 효과적이지 않은 커플링을 제공한다. 이는 음향 임피던스에서 큰 차이에 관한 것인데, 이는 임의의 고체-가스 전송에 적용될 것이다. 특허 명세서 US 4,347,983호는 초음파를 발생시키는 장치에 관한 것이다. 초음파는 액체 또는 가스층의 붕괴에 의해 열 이동을 강화하는데 유용할 수 있다고 개시한다. 촉매 효과는 분자 분석, 자유 이온의 생성, 혼합 및 다른 효과로 인해 개선될 수 있다. 그러나 이런 배열은 얇은 층으로 된 서브층의 붕괴를 제기하지 않는다. 게다가, 이런 배열은 효율적으로 얇은 층으로 된 서브층을 붕괴시키는데 필요로 되는 충분히 높은 레벨에서 음향 압력을 발생시키는데 매우 적절하지 않다. 게다가 촉매 효과 즉, 분자 분석 및 자유 이온의 생성의 개선은 가스 매체가 아니라 액체 매체에서 이런 환경하에 단지 발생하는 효과이다. 특허 명세서 JP 2000 325903호는 초음파 가스 흐름을 스프레이함으로써 섬유로부터 먼지를 제거하는 방법을 개시하고, 여기서 광섬유 주변에 발생되는 가스의 경계층이 초음파에 의해 부서져 경계층의 지면이 제거될 수 있다. 초음파를 사용하여 이런 소용돌이 층을 생성하는 것은 오염을 제거하기 위해서 강화된 효과를 가질 것이다. 그러나, 얇은 층으로 된 서브층을 제거하거나 없애기에 충분한 음파 세기가 주어지지 않기 때문에 다른 프로세스에서 사용된다면 경계층의 단점이 감소되는 매우 효율적인 방법이 개시되지 않는다. 특허 명세서 JP 07031974호는 물이 흐르는 이온 교환 레진을 사용하여 물에서 이온에 대한 흡수 방법을 개시한다. 초음파 발생 장치는 물 및 이온 교환 레진을 조사(irradiate)하여 흐름의 경계층이 부서지고 확산 동작이 가속화된다. 이런 명세서에 논의되는 경계층은 얇은 층으로 된 서브층이 아니다. 단지 물의 사용이 개시된다. 물 및 가스에서 음파 압력은 직접 비교할 수 없다. 가스 및 점성이 많지 않은 흐름 미디어에서 음향 압력은 질량 밀도, 음파의 속도 및 분자(원자)의 진동 속도의 산물이다. 물에서 음파의 속도는 예컨대, 공기에서보다 4배 더 높고, 물의 밀도는 공기에서보다 거의 3차원 더 높다. 그러므로, 입자의 진동의 동일한 속도가 가스에서보다 물에서 음향 압력이 3000-5000배 더 증폭되는 결과를 가져온다. 이런 매우 큰 양의 차이는 가스 및 액체에서 음향 파장 발생 및 전파 프로세스 사이에 세트의 질적인 차이를 가져온다. 그러므로, 가스를 갖는 물의 단순한 교환은 효율적으로 상당한 감소를 포함하고 이런 명세서의 해결책은 그러므로 고체 표면 및 가스 환경을 포함하며 프로세스를 강화하는데 적합하지 않다. 특허 명세서 US 6,360,763호는 고체 표면상의 공기 경계층이 음향 제트의 사용에 의해서 분리되는 장치 및 프로세스를 개시한다. 개시된 경계층은 얇은 층으로 된 서브층이 아니다. 게다가, 음향 제트는 다수의 주파수에 의해서 다뤄지는데, 여기서 하나 이상 주파수가 그들의 서브-하모닉이고, 다른 위상을 가지며, 확성기가 신호에 의해 와이어로 다뤄지는 주요 흐름 내에서 진동하는 0 질량 플럭스 유동 흐름을 획득하는데 사용된다. 확성기에 적용되는 가해지는 신호는 60Hz의 주파수이다. 일반적으로, 가스 압력 공진 발생기(즉, 확성기)로서 전기적인 음향 변환기의 사용 및 다름 예의 피에조 플랩, 솔레노이드 밸브와 같은 가스 압력 공진 발생기가 제공된다. 이런 가스 압력 공진 발생기는 음파를 사용하여, 진동에 의해 동작하고, 고체는 가스에 접촉하므로, 가스로 진동을 전송한다. 고체 및 가스에 대한 음향 임피던스에서의 거대한 차이(임피던스의 비율이 거의 30000내지 50000배임)로 인해서, 대부분의 발생된 음향 에너지가 고체-가스 인터페이스에서 고체 내로 다시 반사되어, 얇은 층으로 된 서브 층을 제거하거나 감소시키는데 충분히 높은 세기를 갖는 음파 또는 초음파를 발생시키는 이런 방법이 불가능하다. 예를 들어, 총 음향 에너지의 99.9895%는 알루미늄/공기 인터페이스 상에서 고체로 다시 반사된다. 유지되는 140dB(46W/m2)를 또한 갖는, 이런 고체/가스 장벽을 극복하기 위한 음향 파장에 대해서 거의 440000W/m2의 초기 세기를 갖어야만 한다.