KR100454487B1 - Micro-Generator with Cycling Microfluidic Circuitry - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산업 정밀기계 분야인 폐쇄 순환형 미세 발전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 작은 크기를 가지는 미세 발전기의 발전 원리와 발전 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a closed-circuit type microgenerator in the field of industrial precision machinery, and more particularly, to the power generation principle and power generation apparatus of a microgenerator having a small size.
본 발명의 미세 발전기는 마이크로 시스템의 밀폐된 순환 회로를 갖는 마이크로 채널과, 온도차에 의한 비등과 응축을 통해 상기 마이크로 채널의 동공 내에서 순환하는 작동 유체와, 상기 작동 유체의 비등과 응축을 통해 상하로 왕복운동하여 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자와, 상기 운동자의 상하 왕복운동에 의해 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 소자와, 상기 작동 유체가 마이크로 채널의 동공내에서 역류가 되지 않도록 하는 역류 방지수단으로 구성된다.The microgenerator of the present invention has a microchannel having a closed circulation circuit of a microsystem, a working fluid circulating in the pupil of the microchannel through boiling and condensation due to a temperature difference, and a boiling and condensation of the working fluid. An exercise device for converting thermal energy into mechanical kinetic energy by reciprocating with a power source, a power generation element for converting mechanical kinetic energy into electrical energy by vertical reciprocating motion of the exerciser, and the working fluid does not flow backward in the microchannel pupil It consists of a backflow prevention means to prevent.
Description
본 발명은 산업 정밀기계 분야인 폐쇄 순환형 미세 발전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 작은 크기를 가지는 미세 발전기의 발전 원리와 발전 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a closed-circuit type microgenerator in the field of industrial precision machinery, and more particularly, to the power generation principle and power generation apparatus of a microgenerator having a small size.
본 발명은 전류를 유도해내기 위해서 주어진 온도차를 이용하며, 작은 액체의 비등 및 응축 현상에 대한 열역학 및 열전달과 MEMS(Microelectro Mechanical System)의 미세 가공기술을 미세 발전 분야에 적용한 것이다.The present invention utilizes a given temperature difference to induce a current, and applies the thermodynamics and heat transfer for the boiling and condensation of small liquids and the microfabrication technology of MEMS (Microelectro Mechanical System) to the field of micro power generation.
미세 기술인 마이크로(Micro) 시스템에는 마이크로 펌프, 마이크로 프로세서 등을 포함하여 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터 등의 전기를 필요로 하는 소자들이 많이 집적되어 있다.The micro system, which is a micro technology, has a lot of devices that require electricity such as a micro sensor and a micro actuator, including a micro pump and a micro processor.
이러한 소자들을 구동하는 데에 필요한 전압과 전류는 매크로(Macro) 시스템의 소모량에 비해 아주 적은 양이나, 마이크로라는 부피의 제약으로 인해 한정된 크기 내에서 안정적으로 전원을 공급하는 데 많은 어려움이 있었다.The voltage and current required to drive these devices is very small compared to the consumption of the macro system, but due to the limitation of the volume of micro, it has been difficult to provide a stable power supply within a limited size.
현재 MEMS의 전원 공급방법으로 마이크로 연료전지, 마이크로 배터리(Micro Battery), 마이크로웨이브(Microwave) 형태가 있다.Current MEMS power supply methods include micro fuel cells, micro batteries, and microwaves.
그러나 최근 몇 년 사이에 외부전원을 이용하지 않고 온도차가 있는 외부 환경을 이용하여 반영구적인 자가 발전 시스템(Self-powered System)을 구상하기 시작했으며 이러한 시스템은 외부와 격리되어 반영구적으로 사용할 수 있는 자기 구동형 시스템(Autonomous MEMS)을 모색하게 되었다.In recent years, however, the company has begun to envision a semi-permanent self-powered system using an external environment with temperature differences instead of using an external power source. I was looking for an autonomous MEMS.
이러한 자기 구동형 시스템의 전원의 개발이라는 취지에서 몇몇 발전 방법론들이 연구되어 왔다.Several development methodologies have been studied for the purpose of developing a power source for such a self-driven system.
이들 대부분의 방법론들은 이미 오래 전에 발견된 현상들을 이론적 배경으로 하고 있다.Most of these methodologies are based on phenomena discovered long ago.
종래 큰 규모의 매크로 시스템에서 발전 방식의 특징은 고온부와 저온부가 있을 때 작동 유체가 장비 내부에서 움직여 이들을 순차적으로 지나면서 고온부에서 가열되면서 외부로 일을 하고 저온부에서 냉각되어 고온부로 순환하는 형태를 가진다.The characteristics of the power generation method in a large macro system in the related art have a form in which the working fluid moves inside the equipment when there is a high temperature part and a low temperature part, passes through them sequentially, heats the high temperature part, works outside, and cools the low temperature part to circulate to the hot part. .
내연기관의 예를 들면 공기가 외부로부터 흡입, 가열(연소), 팽창(일), 배기의 과정을 거치며 새로운 공기의 흡입으로 계속적인 사이클을 형성한다.For example, internal combustion engines undergo air intake, heating (combustion), expansion (work), and exhaust from the outside, forming a continuous cycle with the intake of fresh air.
그러나 마이크로 시스템에서는 부피와 미세 가공 방법에 대한 제약과 다른 전기전자 회로와의 집적을 고려해야 한다.However, in microsystems, constraints on volume and microfabrication methods and integration with other electrical and electronic circuits must be considered.
이러한 점을 고려한 MEMS의 미세 구조로의 적용 가능성이 매우 높은 기술로서는 열전 모듈(Thermoelectric Module)을 이용한 발전 방법이 있다.Considering this point, there is a power generation method using a thermoelectric module as a technology having a very high applicability to MEMS microstructures.
이 방법은 서로 다른 두 금속을 접합시킨 후에 이들 사이에 온도차를 주면 전류가 유도되는 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 것이다.This method uses the Seebeck Effect, in which a current is induced by joining two different metals and then giving a temperature difference between them.
이 방법은 구조가 간단하여 신뢰성이 높고, MEMS의 미세구조에 적합하며 다양한 온도차에 대해서도 그에 해당하는 전기를 발생시킬 수 있다.This method is simple in structure and reliable, suitable for the microstructure of MEMS, and can generate electricity for various temperature differences.
또한 작동 유체라든가 기계적 운동을 하는 부분이 필요없기 때문에 안전성과 소음면에서 유리하다.In addition, there is no need for a working fluid or mechanical motion, which is advantageous in terms of safety and noise.
그러나, 성능을 높이기 위한 적합한 재료의 개발이 계속적으로 진행되고 있음에도 불구하고 아직까지는 효율이 낮고 전류 및 전압이 낮아서 MEMS의 마이크로 펌프등에 필요한 전원을 공급하기에는 부족하다.However, despite the ongoing development of suitable materials for improving performance, it is still insufficient to supply power for MEMS micropumps due to low efficiency and low current and voltage.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 반도체를 이용하여 열 에너지에서 전기 에너지로의 직접적 변환을 하는 저효율·저전압의 열전 모듈을 이용한 발전 방법의 대안으로서, 큰 규모의 매크로 시스템에서 검증된 발전 개념을 마이크로 시스템으로 확장 및 수정을 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an alternative to a power generation method using a low efficiency and low voltage thermoelectric module that directly converts thermal energy into electrical energy using a semiconductor. It is intended to extend and modify the proven development concept of the macro system to the micro system.
본 발명의 다른 목적은 종래의 미세 발전 방법에 비해 좀 더 높은 효율과 전압을 좀더 작은 면적에서 얻을 수 있도록 열역학적 사이클의 개념을 마이크로 시스템에 적용하여, 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 폐쇄 순환형 미세 발전기를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is a closed-circuit type microgenerator capable of stably supplying power by applying the concept of a thermodynamic cycle to a microsystem so that higher efficiency and voltage can be obtained in a smaller area than the conventional microgeneration method. To provide.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 열 에너지에서 기계적 운동 에너지로 변환시키는 미세 왕복운동 장치와, 기계적 운동 에너지에서 전기 에너지로 변환시키는 미세 발전 장치의 두 가지 방향에서 이들 장치들을 개선하였다.In order to achieve the above object, the present invention has improved these devices in two directions: a micro reciprocating device for converting thermal energy into mechanical kinetic energy and a micro power generating device for converting mechanical kinetic energy to electrical energy.
두 장치 각각의 성능향상을 위해 지속적 운전, MEMS 미세 가공의 용이성, 높은 효율과 전압의 발전 성능, 일회용으로도 쓸 수 있는 경제성, 외부 충격 등에 대해서 잘 견딜 수 있는 튼튼한 구조 등의 기술적 세부 사항을 고려하였다.To improve the performance of each device, technical details such as continuous operation, ease of MEMS micromachining, high efficiency and voltage generation capability, economical use even for single use, and robust structure that can withstand external shocks are taken into consideration. It was.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세 발전기의 내부 구조도이다.1 is an internal structural diagram of a micro generator according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세 발전기의 내부 구조도이다.2 is an internal structural diagram of a micro generator according to a second embodiment of the present invention.
도 3a와 도 3b는 도 1의 경우에 발전 개념도이다.3A and 3B are power generation conceptual diagrams in the case of FIG. 1.
도 4a와 도 4b는 도 2의 경우에 발전 개념도이다.4A and 4B are power generation conceptual diagrams in the case of FIG. 2.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 미세 발전기에서 역류를 방지하는 마이크로 밸브의 역할을 나타내는 도면이다.5A and 5B are views showing the role of the microvalve for preventing backflow in the microgenerator of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 마그네트 12 : 작동 유체10: magnet 12: working fluid
14 : 코일 16 : 박막14 coil 16 thin film
18 : 단열부 20 : 가열부18: heat insulation portion 20: heating portion
22 : 냉각부 24 : 마이크로 밸브(모세관 펌프)22 cooling part 24 micro valve (capillary pump)
26 : 더미 매스 28 : PZT26: dummy mass 28: PZT
30 : 마이크로 채널30: microchannel
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 하여 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
MEMS의 미세 시스템은 되도록 단순한 2차원적 구조를 가지는 것이 장기간 운용의 신뢰성, 제조의 용이함을 얻을 수 있는 방법이다.MEMS microsystems have a simple two-dimensional structure as long as it is possible to obtain long-term reliability and ease of manufacture.
이를 위해 본 발명에 따른 미세 발전기의 구조는 아주 단순화된 몇개의 구성요소로 이루어진다.To this end, the structure of the microgenerator according to the invention consists of several very simplified components.
마이크로 시스템의 밀폐된 순환 회로를 갖는 마이크로 채널과, 온도차에 의해 비등과 응축을 통해서 상기 마이크로 채널의 동공 내에서 순환하는 작동 유체와, 상기 작동 유체의 비등과 응축을 통해 상하로 왕복운동하여 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자(Prime Mover)와, 상기 운동자의 상하 왕복운동에 의해 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 소자와, 상기 작동 유체가 마이크로 채널의 동공내에서 역류가 되지 않도록 하는 역류 방지수단으로 구성된다.A microchannel having a closed circulation circuit of a microsystem, a working fluid circulating in the pupil of the microchannel through boiling and condensation by temperature differences, and a reciprocating motion up and down through boiling and condensation of the working fluid Primer Mover for converting the mechanical kinetic energy into mechanical power, a power generating element for converting the mechanical kinetic energy into electrical energy by the vertical reciprocating motion of the exerciser, and the working fluid is prevented from flowing back in the microchannel pupil And backflow prevention means.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세발전기의 내부 구조도이다.1 is an internal structural diagram of a microgenerator according to a first embodiment of the present invention.
도 1은 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자로서 마그네트(10)가 사용되고, 기계적 운동 에너지를 전기 에너지를 변환하는 발전 소자로서 상기 마그네트(10) 외부에 다층으로 권취된 코일(14)이 사용된다.1 shows a magnet 10 used as an exerciser for converting thermal energy into mechanical kinetic energy, and a coil 14 wound in multiple layers outside the magnet 10 as a power generating element for converting mechanical kinetic energy into electrical energy. do.
또한 상기 역류 방지수단으로는 도 5와 같은 마이크로 밸브(24)나 마이크로 채널(30)의 동공 내로 작동 유체(12)를 계속 공급하는 모세관 펌프(24)가 사용된다.In addition, as the backflow preventing means, a capillary pump 24 for continuously supplying the working fluid 12 into the cavity of the microvalve 24 or the microchannel 30 as shown in FIG. 5 is used.
도 1을 자세히 설명하면, 하부의 가열부(20)는 열원으로부터의 전도 열전달에 의해 지속적으로 열을 공급받는다.Referring to FIG. 1 in detail, the lower heating part 20 is continuously supplied with heat by conduction heat transfer from a heat source.
가열부(20) 상부의 마이크로 채널(30)은 일정거리 이격되어 대향되게 상하 지그재그로 배열되고 박막(16)에 의해 개폐되며, 마이크로 채널(30)의 이격된 중간 사이에는 상하 이동이 가능한 마그네트(10)와 마그네트(10) 외부에 권취된 코일(14)이 위치된다.The microchannel 30 of the upper part of the heating unit 20 is spaced apart by a predetermined distance and arranged in a vertical zigzag to face each other and is opened and closed by the thin film 16, the magnet which can move up and down between the spaced middle of the microchannel 30 ( 10 and the coil 14 wound outside the magnet 10 is located.
상기 마이크로 채널(30)의 외부와 상부 및 지그재그로 배열된 사이에는 냉각부(22)가 형성되고 가열부(20)와 마이크로 채널(30)의 사이에는 중앙 부위를 제외하고 단열부(20)가 형성된다.A cooling unit 22 is formed between the outside of the micro channel 30 and arranged in an upper portion and zigzag, and a heat insulating unit 20 is formed between the heating unit 20 and the micro channel 30 except for a central portion. Is formed.
상기 가열부(20)와 냉각부(22)는 열전달 특성이 좋은 구리, 금, 알루미늄 등의 물질로 이루어지고 단열부(18)는 단열 특성이 좋은 물질로 이루어진다.The heating unit 20 and the cooling unit 22 are made of a material such as copper, gold, aluminum having good heat transfer properties, and the heat insulating part 18 is made of a material having good heat insulating properties.
마이크로 채널(30)에는 상기 마그네트(10)가 상부에 위치된 박막(16)이 형성되어 온도가 상승함에 따라 압력에 의해 박막(16)이 팽창되고 이에 의해 마그네트(10)가 위로 올라가게 된다.In the microchannel 30, the thin film 16 having the magnet 10 positioned thereon is formed, and as the temperature increases, the thin film 16 expands due to pressure, thereby causing the magnet 10 to rise upward.
본 발명에서 상기 박막(16)으로는 실리콘 러버(Silicon Rubber)가 사용된다.In the present invention, as the thin film 16, silicon rubber is used.
상기 마이크로 채널(30)에서 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주기 위해 모세관 펌프(24)나 마이크로 밸브(24)가 마이크로 채널(30)에 설치된다.A capillary pump 24 or microvalve 24 is installed in the microchannel 30 to prevent the working fluid 12 from flowing in the microchannel 30 in the reverse direction.
상기 구성의 발전 원리는 열역학적 사이클에 기초를 두고 있는 것으로 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 순환하면서 상변화(Phase Change)를 겪게 되고 이런 변환 과정 중에 상변화에 필요한 열인 잠열(Latent Heat)을 발전에 활용하는 것이다.The development principle of this configuration is based on a thermodynamic cycle in which the working fluid 12 undergoes a phase change as it circulates through the microchannel 30 and is a latent heat, which is a heat required for the phase change during this conversion process. ) Is used for development.
구체적으로 설명하면, 제1단계에서 마이크로 밸브(30)가 박막(16)에 의해 폐쇄된 상태에서 발전기 하부의 가열용 구리판인 가열부(20)로 전도 열전달에 의해서 열원으로부터 지속적으로 열이 공급된다.Specifically, heat is continuously supplied from the heat source by conduction heat transfer to the heating unit 20, which is a heating copper plate under the generator in a state in which the microvalve 30 is closed by the thin film 16 in the first step. .
공급된 열은 단열부(18)가 형성되지 않은 중앙 부위를 통해 마이크로 채널(30)에 열을 공급하게 되고 이 열은 마이크로 채널(30)의 작동 유체가(12) 액체에서 기체로 상변화하는데 사용된다.The supplied heat supplies heat to the microchannel 30 through a central portion where no thermal insulation 18 is formed, which causes the working fluid of the microchannel 30 to phase change from liquid 12 to gas. Used.
따라서 상기 가열부(20)는 지속적으로 기포(Bubble)를 생성시키는 보일러(Boiler)의 역할을 하게 된다.Therefore, the heating unit 20 serves as a boiler for continuously generating bubbles.
제2단계에서, 기포에 의해서 마이크로 채널(30)의 폐쇄된 동공(Cavity) 내에서 기체 상태의 체적과 압력이 계속 상승한다.In the second step, the gaseous volume and pressure continue to rise in the closed cavity of the microchannel 30 by the bubbles.
이때에는 상승된 압력에 의해 도 5b에서와 같이 마이크로 밸브(24)를 압착시켜 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주고 이에 의해 폐쇄된 상태에서 높아지고 있는 압력이 유지된다.At this time, the elevated pressure prevents the working fluid 12 from flowing in the reverse direction by compressing the microvalve 24 as shown in FIG. 5B, thereby maintaining a high pressure in the closed state.
상기 마이크로 밸브(24) 대신 모세관 펌프(24)를 사용하여 마이크로 채널(30)의 동공내로 계속 액체를 공급할 수도 있다.The capillary pump 24 may be used instead of the microvalve 24 to continuously supply liquid into the cavity of the microchannel 30.
이때 모세관 펌프(24)에 의해서 얻어지는 압력차는 동공 내에서 상승되는 압력보다 커야 된다.At this time, the pressure difference obtained by the capillary pump 24 should be greater than the pressure rising in the pupil.
제3단계에서, 상승된 압력이 상부의 박막(16)을 팽창시키면 도 3b처럼 박막(16) 위의 마그네트(10)를 위로 밀어 올려 마이크로 채널(30)의 동공 내의 고압 기체들이 빠져 나가게 된다.In the third step, when the elevated pressure expands the upper thin film 16, the high pressure gas in the cavity of the microchannel 30 is pushed out by pushing the magnet 10 on the thin film 16 upward as shown in FIG. 3B.
이에 의해 마그네트(10) 주위에 권취된 코일(14)에 유도 전류가 만들어 진다.As a result, an induced current is generated in the coil 14 wound around the magnet 10.
작동 유체(12)의 이러한 작용은 고압의 동공내에서 저압의 응축부로의 팽창이라 볼 수 있으며 상기 박막(16)과 마그네트(10)는 일종의 터빈(Turbine)의 역할을 하는 것이다.This action of the working fluid 12 can be seen as expansion into the low pressure condensation in the high pressure pupil and the thin film 16 and the magnet 10 act as a kind of turbine.
마지막 단계인 제4단계에서, 빠져 나간 기체 상태의 작동 유체(12)는 다시 마이크로 밸브(30)의 상부와 옆면에 있는 저온의 냉각용 구리판과 핀(Fin) 등의 냉각부(22)로부터 계속 열을 빼앗겨 차가워지고 응축되어 흘러내린다.In the final stage, the fourth stage, the exiting gaseous working fluid 12 continues from the cooling section 22, such as a low temperature cooling copper plate and fins, on the upper and side surfaces of the microvalve 30 again. The heat is taken away to cool, condense and run off.
이때 운동자인 마그네트(10)와 박막(16)은 자체 하중에 의해 떨어져서 마이크로 채널(30)을 다시 폐쇄시키게 된다.At this time, the magnet 10 and the thin film 16, which are the mover, are dropped by their own loads to close the microchannel 30 again.
이렇게 작동 유체(12)는 폐쇄 순환 회로에서 비등, 팽창, 응축, 압축의 일련의 과정을 거쳐 일종의 열역학적 사이클을 형성하며, 그 중에서 팽창하여 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 빠져나가는 순간 운동자인 마그네트(10)를 진동시켜 전기를 유도하게 된다.In this way, the working fluid 12 undergoes a series of boiling, expansion, condensation, and compression processes in a closed circulation circuit to form a kind of thermodynamic cycle, in which the expansion of the working fluid 12 exits the microchannel 30. By vibrating the magnet 10 as an exerciser, the electricity is induced.
상기 마그네트(10)의 수직 왕복운동은 마그네트(10) 주위에 고정된 코일(14)에 유도 전류를 만들어 전기를 생산하게 된다.The vertical reciprocation of the magnet 10 produces electricity by inducing a current in the coil 14 fixed around the magnet 10.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세발전기의 내부 구조도이다.2 is an internal structural diagram of a microgenerator according to a second embodiment of the present invention.
도 2는 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자(Prime Mover)로서 단순히 질량만을 가진 더미 메스(Dummy Mass,26)가 사용되고, 기계적 운동 에너지를 전기 에너지를 변환하는 발전 소자로서 상기 더미 메스(26)의 가장자리에 연결된 PZT(28)가 사용된다.FIG. 2 is a dummy mass 26 having only mass as a prime mover for converting thermal energy into mechanical kinetic energy, and the dummy mass 26 as a power generating element for converting mechanical kinetic energy into electrical energy. A PZT 28 connected to the edge of c) is used.
또한 상기 역류 방지수단으로는 도 5와 같은 마이크로 밸브(24)나 마이크로 채널(30)의 동공 내로 작동 유체(12)를 계속 공급하는 모세관 펌프(24)가 사용된다.In addition, as the backflow preventing means, a capillary pump 24 for continuously supplying the working fluid 12 into the cavity of the microvalve 24 or the microchannel 30 as shown in FIG. 5 is used.
도 2를 자세히 설명하면, 하부의 가열부(20)는 열원으로부터의 전도 열전달에 의해 지속적으로 열을 공급받는다.2, the lower heating part 20 receives heat continuously by conducting heat transfer from a heat source.
가열부(20) 상부의 마이크로 채널(30)은 일정거리 이격되어 대향되게 상하 지그재그로 배열되고 박막(16)에 의해 개폐되며, 마이크로 채널(30)의 이격된 중간 사이에는 상하 이동이 가능한 박막(16) 위의 더미 메스(26)와 더미 메스(26)에 연결된 PZT(28)가 위치된다.The microchannel 30 on the heating unit 20 is arranged in a vertical zigzag spaced apart from each other by a predetermined distance, and is opened and closed by the thin film 16, and a thin film capable of vertically moving between the microchannels 30 spaced apart from each other. 16) The dummy scalpel 26 and the PZT 28 connected to the dummy scalpel 26 are positioned.
상기 마이크로 채널(30)의 외부와 상부 및 지그재그로 배열된 사이에는 냉각부(22)가 형성되고 가열부(20)와 마이크로 채널(30)의 사이에는 중앙 부위를 제외하고 단열부(20)가 형성된다.A cooling unit 22 is formed between the outside of the micro channel 30 and arranged in an upper portion and zigzag, and a heat insulating unit 20 is formed between the heating unit 20 and the micro channel 30 except for a central portion. Is formed.
상기 가열부(20)와 냉각부(22)는 열전달 특성이 좋은 구리, 금, 알루미늄 등의 물질로 이루어지고 단열부(18)는 단열 특성이 좋은 물질로 이루어진다.The heating unit 20 and the cooling unit 22 are made of a material such as copper, gold, aluminum having good heat transfer properties, and the heat insulating part 18 is made of a material having good heat insulating properties.
마이크로 채널(30)에는 상기 더미 메스(26)가 상부에 위치된 박막(16)이 형성되어 온도가 상승함에 따라 마이크로 채널(30) 내의 상승되는 압력에 의해 박막(16)이 팽창되고 이에 의해 더미 메스(28)가 위로 올라가게 된다.In the micro channel 30, the thin film 16 having the dummy scalpel 26 positioned thereon is formed, and as the temperature increases, the thin film 16 is inflated by the rising pressure in the micro channel 30. The scalpel 28 is lifted up.
본 발명에서 상기 박막(16)으로는 실리콘 러버(Silicon Rubber)가 사용된다.In the present invention, as the thin film 16, silicon rubber is used.
상기 마이크로 채널(30)에서 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주기 위해 모세관 펌프(24)나 마이크로 밸브(24)가 마이크로 채널(30)에 설치된다.A capillary pump 24 or microvalve 24 is installed in the microchannel 30 to prevent the working fluid 12 from flowing in the microchannel 30 in the reverse direction.
도 1에서와 같이 상기 구성의 발전 원리는 열역학적 사이클에 기초를 두고 있는 것으로 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 순환하면서 상변화(Phase Change)를 겪게 되고 이런 변환 과정 중에 상변화에 필요한 열인 잠열(Latent Heat)을 발전에 활용하는 것이다.As shown in FIG. 1, the principle of development of the above construction is based on a thermodynamic cycle, in which the working fluid 12 undergoes a phase change as it circulates through the microchannel 30 and is required for the phase change during the conversion process. Latent Heat, which is heat, is used for power generation.
구체적으로 설명하면, 제1단계에서 마이크로 밸브(30)가 박막(16)에 의해 폐쇄된 상태에서 발전기 하부의 가열용 구리판인 가열부(20)로 전도 열전달에 의해서 열원으로부터 지속적으로 열이 공급된다.Specifically, heat is continuously supplied from the heat source by conduction heat transfer to the heating unit 20, which is a heating copper plate under the generator in a state in which the microvalve 30 is closed by the thin film 16 in the first step. .
공급된 열은 단열부(18)가 형성되지 않은 중앙 부위를 통해 마이크로 채널(30)에 열을 공급하게 되고 이 열은 마이크로 채널(30)의 작동 유체(12)가 액체에서 기체로 상변화하는데 사용된다.The supplied heat supplies heat to the microchannel 30 through a central portion where no thermal insulation 18 is formed, which causes the working fluid 12 of the microchannel 30 to change phase from liquid to gas. Used.
따라서 상기 가열부(20)는 지속적으로 기포(Bubble)를 생성시키는 보일러(Boiler)의 역할을 하게 된다.Therefore, the heating unit 20 serves as a boiler for continuously generating bubbles.
제2단계에서, 기포에 의해서 마이크로 채널(30)의 동공 내에서 기체 상태의 체적과 압력이 계속 상승한다.In the second step, the volume and pressure of the gaseous state continue to rise in the cavity of the microchannel 30 by the bubbles.
이때에는 상승된 압력에 의해 도 5b에서와 같이 마이크로 밸브(24)를 압착시켜 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주고 이에 의해 폐쇄된 상태에서 높아지고 있는 압력이 유지된다.At this time, the elevated pressure prevents the working fluid 12 from flowing in the reverse direction by compressing the microvalve 24 as shown in FIG. 5B, thereby maintaining a high pressure in the closed state.
상기 마이크로 밸브(24) 대신 모세관 펌프(24)를 사용하여 마이크로 채널(30)의 동공내로 계속 액체를 공급할 수도 있다.The capillary pump 24 may be used instead of the microvalve 24 to continuously supply liquid into the cavity of the microchannel 30.
이때 모세관 펌프(24)에 의해서 얻어지는 압력차는 동공 내에서 상승되는 압력보다 커야 된다.At this time, the pressure difference obtained by the capillary pump 24 should be greater than the pressure rising in the pupil.
제3단계에서, 상승된 압력이 상부의 박막(16)을 팽창시키면 도 4b에서와 같이 박막(16) 위의 더미 메스(26)를 위로 밀어 올려 마이크로 채널(30)의 동공 내의 고압 기체들이 빠져 나가게 된다.In the third step, when the elevated pressure expands the upper thin film 16, the high pressure gas in the cavity of the microchannel 30 is pushed out by pushing the dummy scalpel 26 on the thin film 16 upward as shown in FIG. 4B. Will go out.
이에 의해 더미 메스(26)의 가장자리에 연결된 PZT(28)에 변형을 가져와 PZT(28)에 전류를 유도하게 된다.This causes a deformation in the PZT 28 connected to the edge of the dummy scalpel 26 to induce a current in the PZT 28.
작동 유체(12)의 이러한 작용은 고압의 동공내에서 저압의 응축부로의 팽창이라 볼 수 있으며 상기 박막(16)과 더미 메스(26)는 일종의 터빈(Turbine)의 역할을 하는 것이다.This action of the working fluid 12 can be seen as expansion into the low pressure condensation in the high pressure pupil and the thin film 16 and the dummy scalpel 26 act as a kind of turbine.
마지막 단계인 제4단계에서, 빠져 나간 기체 상태의 작동 유체(12)는 다시 마이크로 밸브(30)의 상부와 옆면에 있는 저온의 냉각용 구리판과 핀(Fin) 등의 냉각부(22)로부터 계속 열을 빼앗겨 차가워지고 응축되어 흘러내린다.In the final stage, the fourth stage, the exiting gaseous working fluid 12 continues from the cooling section 22, such as a low temperature cooling copper plate and fins, on the upper and side surfaces of the microvalve 30 again. The heat is taken away to cool, condense and run off.
이때 스프링 작용에 의해 마이크로 채널(30)을 다시 폐쇄시키게 된다.At this time, the microchannel 30 is closed again by the spring action.
이렇게 작동 유체(12)는 폐쇄 순환회로에서 비등, 팽창, 응축, 압축의 일련의 과정을 거쳐 일종의 열역학적 사이클을 형성하며, 그 중에서 팽창하여 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 빠져나가는 순간 운동자인 더미 메스(26)를 진동시켜 전기를 유도하게 된다.In this way, the working fluid 12 undergoes a series of boiling, expansion, condensation and compression processes in a closed circuit, forming a kind of thermodynamic cycle, in which the expansion of the working fluid 12 exits the microchannel 30. By vibrating the dummy scalpel 26 which is an exerciser, electricity is induced.
더미 메스(26)의 수직 왕복운동은 더미 메스(26)의 가장자리에 연결된 PZT(28)의 변위를 가져와 전기를 생산하게 된다.Vertical reciprocation of the dummy scalpel 26 results in displacement of the PZT 28 connected to the edge of the dummy scalpel 26 to produce electricity.
도 1과 도 2의 구조에 의한 발전 과정을 다시 정리하면, 온도차(열 에너지)에 의해 작동 유체(12)가 상변화를 일으키고, 이 상변화가 박막과 운동자(마그네트 또는 더미 메스)의 상하의 기계적 에너지로 변환시킨 후 이를 다시 발전소자(코일, PZT)를 이용하여 유도 전류(전기 에너지)를 발생시키는 것이다.In order to rearrange the power generation process by the structure of FIGS. 1 and 2, the working fluid 12 causes a phase change due to a temperature difference (thermal energy), and this phase change causes the mechanical motion of the thin film and the moving body (magnet or dummy scalp) up and down. After converting it to energy, it is generated again by using a generator (coil, PZT) to generate induced current (electrical energy).
이상에서와 같이, 본 발명은 작동 유체(12)의 상변화를 이용함으로써 작동 유체(12)의 액체에서 기체로, 혹은 기체에서 액체로의 상태 변화를 거치는 동안, 기화열/액화열이 커다란 체적 변화를 만들어내고 이 팽창과 수축의 체적 변화를 박막과 운동자의 운동 에너지를 변환시켜 유효한 동력으로 변환시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention utilizes the phase change of the working fluid 12, so that the heat of vaporization / liquefaction generates a large volume change during the liquid-to-gas or gas-to-liquid state change of the working fluid 12. It has the advantage of generating and converting the volume change of the expansion and contraction into effective power by converting the kinetic energy of the thin film and the exerciser.
또한 온도차가 설계 범위를 벗어난 경우에도 효율과 출력은 감소되지만 어느 정도의 전기를 지속적으로 생산할 수 있다.In addition, even if the temperature difference is outside the design range, efficiency and power are reduced, but some amount of electricity can be produced continuously.
이상과 같은 본 발명을 통해서, 본 발명에 따른 미세 발전기를 발전소, 화학 플랜트, 소각장 등의 폐열 회수용으로 사용할 수 있으며, 좀 더 작은 크기로 제작하여, 체온, 태양열 등을 에너지원으로 해서 PDA, 노트북 컴퓨터, DNA 칩 등의 주전원 또는 보조 전원으로 활용할 수 있다.Through the present invention as described above, the micro-generator according to the present invention can be used for the recovery of waste heat of power plants, chemical plants, incinerators, etc., produced in a smaller size, body temperature, solar heat, etc. as an energy source PDA, It can be used as a main power supply or auxiliary power supply for notebook computers and DNA chips.
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