KR20180029135A - 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자성을 띄는 나노입자인 자성유체와, 상기 자성유체가 내부로 통과되어 순환되는 순환파이프와, 상기 순환파이프의 외측에 상기 순환파이프의 길이방향을 따라 소정 구간 권선되는 코일로 구성된 유도발전부와, 상기 순환파이프의 상하 길이방향을 따라 상기 코일의 외측을 감싸도록 영구자석이 복수개 배치되되, 상기 인접한 영구자석은 동일한 극성끼리 상호 마주보도록 설치되는 자화방향변환부를 포함하는 연속발전 사이클 장치에 있어서, 상기 자성유체는 중심에 자성체가 배치되고 상기 자성체의 주변으로 비자성공간으로 채워진 캡슐형태의 복합 부유물을 포함하여 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 자성 및 비자성 영역을 동시에 지니고 있는 하이브리드 형태의 복합 부유물을 자성유체 내에 포함시켜 발전부에서 유체흐름 방향으로 상하운동이 가능하게 하여 고효율 발전을 유도하고, 사이클화시켜 연속적인 발전이 가능한 효과가 있다.

Description

자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치{high efficient and continuous electric generation cycle device employing ferrofluid with hybrid magnetic and nonmagnetic floating objects}

본 발명은 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자성 및 비자성 영역을 동시에 지니고 있는 하이브리드 형태의 복합 부유물을 자성유체 내에 포함시켜 발전부에서 유체흐름 방향으로 상하운동이 가능하게 하여 고효율 발전을 유도하고, 사이클화시켜 연속적인 발전이 가능하도록 하는 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치에 관한 것이다.

최근 화학연로 등이 고갈됨에 따라 주변에서 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 대한 관심이 높아지고 있다.

그 중 폐열 등과 같은 저온의 열에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환시키기 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있는데, 종래의 열ㆍ전기변환 사이클은 열교환기 외에 터빈과 발전기가 추가로 장착됨에 의해 열전기변환효율이 낮고, 시스템의 크기가 대형화되어 이러한 종래의 열ㆍ전기변환 사이클로는 중,저온의 폐열을 열회수하거나 전기변환하기에는 어려움이 있다.

이에 저온의 열에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해 열교환되는 작동유체 대신에 자성입자로 구성된 자성유체를 사이클에 순환시키고, 유도코일을 이용하여 직접 전기로 변환하는 장치가 최근에 개발되고 있다.

여기서 자성유체는 액체 속에 나노입자로 이루어진 자성분말을 콜로이드 모양으로 안정, 분산시킨 다음 침전이나 응집이 생기지 않도록 계면활성제를 첨가한 유체로서, 자성유체가 통과되는 관로상에 유도코일을 감싸 자성유체의 흐름으로 플레밍의 오른손 법칙에 의해 유도 기전력을 얻게 된다.

그러나 자성유체 입자가 순환되면서 발생되는 무질서 및 스핀으로 인해 자속이 상쇄되어 유도전력을 이끌어내기 위해 요구되는 자속을 효율적으로 발생시키기가 어려운 문제점이 발생된다.

이에, 자성유체 입자의 극성 방향을 일치시켜 자속을 극대화하기 위해 자성유체의 방향성을 제어하는 기술들이 제시된다.

도 1은 한국등록특허 제 1301945호의 자성유체의 방향성을 제어하기 위한 장치를 나타낸 도면으로, 도면을 참조하면, 종래 자성유체의 방향성을 제어하기 위한 장치는 자성을 띠는 나노입자인 자성유체(100)와, 자성유체(100)가 통과되는 실리콘튜브(220)와, 실리콘튜브(220)의 외측에 자성유체(100)가 실리콘튜브(220) 내측을 통과할 때 유도전력을 발생시키도록 소정구간 권선되는 솔레노이드코일(230)로 구성된 유도발전부(200)와, 솔레노이드코일(230)을 감쌀 수 있도록 외측에 원통형상으로 형성되어 상기 솔레노이드코일(230)을 통과하는 자성유체(100)의 극 방향성을 자성유체의 진행방향과 동일하게 단일방향으로 제어하는 영구자석(400)을 포함하여 구성된다.

이러한 종래기술은 영구자석(400)의 자성방향을 자성유체 입자의 흐름과 동일하게 설정하고, 흐름을 가속화하기 위해 외부 영구자석의 형상을 고깔형상의 원추형으로 형성되도록 하나, 이러한 종래기술에서는 자성유체 입자가 분산되어 있는 상황에서의 흐름을 상정하고 있는데, 이러한 흐름은 영구자석에 의해 시간적으로 자성유체의 입자 위치가 기하학적으로 고정되어 전압이 연속적으로 생성될 수 없는 심각한 문제점을 가지게 된다.

따라서, 이러한 종래 자성유체를 이용한 발전 사이클 장치의 불합리한 점을 극복하고 고효율로 연속발전이 이루어질 수 있도록 함과 아울러, 자성유체내에 자성 및 비자성 영역을 동시에 지니고 있는 하이브리드 형태의 부유물을 포함시켜 더 높은 효율을 발생시킬 수 있는 연속발전 사이클 장치에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

한국등록특허 제 1301945호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자성유체 내에 자성 및 비자성 영역을 동시에 지니고 있는 하이브리드 형태의 복합 부유물을 포함시켜 더 높은 효율을 발생시키도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 자성을 띄는 나노입자인 자성유체와, 상기 자성유체가 내부로 통과되어 순환되는 순환파이프와, 상기 순환파이프의 외측에 상기 순환파이프의 길이방향을 따라 소정 구간 권선되는 코일로 구성된 유도발전부와, 상기 순환파이프의 상하 길이방향을 따라 상기 코일의 외측을 감싸도록 영구자석이 복수개 배치되되, 상기 인접한 영구자석은 동일한 극성끼리 상호 마주보도록 설치되는 자화방향변환부를 포함하는 연속발전 사이클 장치에 있어서, 상기 자성유체는 중심에 자성체가 배치되고 상기 자성체의 주변으로 비자성공간으로 채워진 캡슐형태의 복합 부유물을 포함하여 제공된다.

아울러, 상기 복합 부유물은 상기 코일이 권선된 구간과 대응되는 상기 순환파이프의 내측벽면에 탄성체에 의해 고정결합되어 상하자유운동된다.

또한, 상기 코일이 권선된 구간과 대응되는 상기 순환파이프의 내측벽면 상하부에 상부 이탈방지몸체와 하부 이탈방지몸체가 돌출되도록 설치되어, 상기 복합 부유물이 상기 상부, 하부 이탈방지몸체 사이에서 상하자유운동된다.

더욱이, 상기 순환파이프의 일측에 설치되어 상기 순환파이프 내부에 기포가 발생되도록 하는 기포발생수단을 더 포함하여 제공된다.

여기서 상기 기포발생수단은 상기 순환파이프내의 자성유체를 가열하도록 하는 히터이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 자성 및 비자성 영역을 동시에 지니고 있는 하이브리드 형태의 복합 부유물을 자성유체 내에 포함시켜 발전부에서 유체흐름 방향으로 상하운동이 가능하게 하여 고효율 발전을 유도하고, 사이클화시켜 연속적인 발전이 가능한 효과가 있다.

도 1은 한국등록특허 제 1301945호의 자성유체의 방향성을 제어하기 위한 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치의 대략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유도발전부 부분의 단면구조를 나타낸 부분 상세도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도발전부에 복합 부유물을 포함하는 자성유체가 배치된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 실험을 통해 기존 자성유체의 2상유동 형태로 이루어진 발전사이클에서 취득된 발전전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 기존의 발전사이클 장비에 하나의 복합 부유물이 포함된 상태에서 취득된 발전전압을 나타낸 그래프이다.
도 7은 기존의 발전사이클 장비에 5개의 복합 부유물이 포함된 상태에서 취득된 발전전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 다른 복합 부유물의 배치구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 다른 복합 부유물의 배치구조를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치의 대략적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유도발전부 부분의 단면구조를 나타낸 부분 상세도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도발전부에 복합 부유물을 포함하는 자성유체가 배치된 상태를 나타낸 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치는 자성유체(10)와, 순환파이프(20)와, 유도발전부(30)와, 자화방향변환부(40) 및 히터(50)를 포함하여 구성된다.

자성유체(10)는 자성을 띄는 나노입자 분말이 포함된 유체로서, 나노입자의 개수가 많을 경우 포화 자기화(Saturation Magnetization)값이 커져 발전에는 유리하지만, 연속발전을 위해 자성유체(10) 내부에 비자성체를 투여할 경우 자성유체(10) 내부의 전자기력에 의해 비자성체가 순환파이프(20) 내부를 통과하지 못하고 정지될 가능성이 있어, 이를 고려하여 영구자석(41)의 세기와 자성유체(10)의 자화값을 고려하여 적절한 입자 개수를 선택하도록 한다.

아울러 본 발명에서의 자성유체(10)는 중심에 자성체(11a)가 배치되고, 자성체(11a)의 주변으로 비자성 공간(11b)으로 채워진 캡슐형태의 복합 부유물(11)을 포함한다. 이러한 복합 부유물(11)은 구형상일 수 있고 비정형적인 다양한 형태도 포함한다.

도 4를 참조하자면, 이러한 복합 부유물(11)은 강자성체를 중심으로 비장성공간이 이를 감싸는 구조로 외부 균등자계가 인가된 경우 복합 부유물(11) 내 비자성 공간(12)은 중심으로 이동하게 되며, 이는 영구자석(41)의 중심선을 기준으로 아래에 있는 경우 부상력이 작용하며, 위에 있는 경우 하강력이 복합 부유물에 작용하게 되어 상하로 자유운동하게 된다.

순환파이프(20)는 내부에 자성유체(10)가 순환되는 경로를 제공하며, 순환파이프(20) 하부 일측에 설치된 히터(50)에 의해 가열된 자성유체(10)가 기포(60)와 함께 순환파이프(20) 내부에서 상부로 밀어올려져 열적순환이 이루어지도록 한다. 그리고 상부로 이동되는 자성유체(10)는 유도발전부(30)에서 유도기전력을 발생시킨 다음, 순환파이프(20)의 하방으로 순환되며, 다시 히터(50)에 의해 가열되어 상부로 이동된다. 이러한 순환파이프(20)는 작동유체의 온도를 고려하여 충분한 내열성을 가지면서, 유도전류에 의한 역기전력 효과를 최소화 하기 위해 비자성, 저전도성 금속 또는 비금속재질로 이루어짐이 바람직하다.

유도발전부(30)는 순환파이프(20)에 히터(50)가 설치된 상부측에 순환파이프(20)의 상하 길이방향을 따라 순환파이프(20)의 외연에 소정 구간 코일(31)을 권선시키고, 자성유체(10)가 코일(31)이 권선된 순환파이프(20)를 통과하면서 패러데이의 전자유도 법칙에 의해 코일(31)에 유도기전력이 발생되도록 하며, 이러한 유도기전력은 축전지(미도시)에 전달하여 저장한다.

자화방향변환부(40)는 순환파이프(20)의 상하 길이방향을 따라 코일(31)의 외측을 감싸도록 영구자석(41)을 배치시킨다. 이러한 영구자석(41)은 자성유체(10)의 나노입자의 극성방향을 동기화시킨다. 여기서 페러데이 법칙에 따라 유도기전력을 최대화하기 위해서는 자성유체(10)의 나노입자에서 발생된 자장의 방향이 코일(31)과 수직하게 통과되어야 한다. 이에 따라 본 발명에서는 자성유체(10)의 나노입자의 자화방향을 유도코일(31) 단면과 수직이 되도록 하기 위해 링형상의 영구자석(41)으로 코일(31)의 외측을 감싸도록 한다.

더욱이, 본 발명에서는 자성유체(10)에 비자성체인 기포(60)를 공급시켜 연속발전 효율을 높이도록 한다.

이를 위해 본 발명의 일실시예에서는 순환파이프(20) 내부에 기포(60)가 발생되도록 하는 기포발생수단을 순환파이프(20)의 일측에 설치하도록 한다. 이러한 기포발생수단은 자성유체(10)를 직접적으로 가열하여 기포(60)를 발생시키거나, 순환파이프(20) 내로 별도로 비자성체인 공기 등의 기체를 주입시킬 수도 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 일실시예에서의 복합 부유물(11)은 강자성물질간의 인력과 외부 자기장에 의한 인력을 완화시킬 수 있는 여유를 확보하게 되며, 아울러 유동방향으로 외부 자기장이 인가되는 경우 비자성 물질은 외부 영구자석(41)을 기준으로 중심으로 이동하려는 전자기력이 작용하게 되어, 이러한 전자기력과 중력 및 유체에 의한 부력이 서로 힘의 균형을 유지하게 된다.

힘의 균형이 유지된 상태에서 기포발생수단을 통해 2상유동의 기포(60)가 올라와서 복합 부유물(11)을 완전히 감싸게 되면 복합 부유물(11)에는 중력이 주된 힘으로 작용하게 되며, 이때 복합 부유물(11)은 중력방향인 하방으로 내려오게 되고, 다시 자성유체(10) 공간으로 차들어오면 부유하게 되면서 위로 올라가게 된다.

이러한 현상이 반복되면서 자기장의 교란을 유도하게 되어 기존의 기포(60), 자성유체(10)만으로 얻어지는 발전전압에 추가적으로 더 높은 발전전압이 획득된다.

도 5는 실험을 통해 기존 자성유체의 2상유동 형태로 이루어진 발전사이클에서 취득된 발전전압을 나타낸 그래프이고, 도 6은 기존의 발전사이클 장비에 하나의 복합 부유물이 포함된 상태에서 취득된 발전전압을 나타낸 그래프이고, 도 7은 기존의 발전사이클 장비에 5개의 복합 부유물이 포함된 상태에서 취득된 발전전압을 나타낸 그래프이다.

도 5를 살펴보면, 기존 발전사이클에서 기포와 자성유체를 이용한 2상 유동형태의 발전사이클에서는 전압의 첨두치가 1m/s를 기준으로 대략 60mV정도로 취득되며, 도 6의 (a)는 1개의 복합 부유물이 포함된 상태에서의 자기장분포도를 나타낸 그래프이고, 도 6의 (b)는 발전전압 크기를 나타낸 그래프로 1개의 복합 부유물이 포함된 상태에서 전압의 첨두치는 대략 250mV로, 기존 기포에 의한 발전대비 3.1배 가량 상승되었으며, 도 7의 (a)는 5개의 복합 부유물이 포함된 상태에서의 자기장분포도를 나타낸 그래프이고, 도 7의 (b)는 발전전압 크기를 나타낸 그래프로 5개의 복합 부유물이 포함된 상태에서 전압의 첨두치는 대략 400mV로, 1개의 복합 부유물이 있는 경우에 비해 1.6배 가량 상승되는 것으로 나타난다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 다른 복합 부유물의 배치구조를 나타낸 도면으로, 도면을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에서는 코일(31)이 권선된 구간과 대응되는 순환파이프(20)의 내측벽면에 탄성체(12)에 의해 복합 부유물(11)이 고정결합되어 탄성력에 의해 복합 부유물(11)이 일정 구간내에서 상하로 자유운동이 더욱 활발하게 이루어지게 된다.

도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 다른 복합 부유물의 배치구조를 나타낸 도면으로, 도면을 참조하면 본 발명의 또다른 실시예에서는 코일(31)이 권선된 구간과 대응되는 순환파이프(20)의 내측벽면 상하부에 상부 이탈방지몸체(13a)와 하부 이탈방지몸체(13b)가 각각 돌출되도록 설치되어 복합 부유물(11)이 상,하부 이탈방지몸체(13a, 13b) 사이에서 외측으로 이탈되지 않고 상하 자유운동이 활성화 된다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 자성유체 11 : 복합 부유물
11a : 자성체 11b: 비자성 공간
12 : 탄성체 13a: 상부 이탈방지몸체
13b : 하부 이탈방지몸체
20 : 순환파이프
30 : 유도발전부 31 : 코일
40 : 자화방향변환부 41 : 영구자석
42 : 비자성체
50 : 히터
60 : 기포

Claims (5)

1. 자성을 띄는 나노입자인 자성유체와, 상기 자성유체가 내부로 통과되어 순환되는 순환파이프와, 상기 순환파이프의 외측에 상기 순환파이프의 길이방향을 따라 소정 구간 권선되는 코일로 구성된 유도발전부와, 상기 순환파이프의 상하 길이방향을 따라 상기 코일의 외측을 감싸도록 영구자석이 복수개 배치되되, 상기 인접한 영구자석은 동일한 극성끼리 상호 마주보도록 설치되는 자화방향변환부를 포함하는 연속발전 사이클 장치에 있어서,
   상기 자성유체는 중심에 자성체가 배치되고 상기 자성체의 주변으로 비자성공간으로 채워진 캡슐형태의 복합 부유물을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 복합 부유물은 상기 코일이 권선된 구간과 대응되는 상기 순환파이프의 내측벽면에 탄성체에 의해 고정결합되어 상하자유운동되는 것을 특징으로 하는 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 코일이 권선된 구간과 대응되는 상기 순환파이프의 내측벽면 상하부에 상부 이탈방지몸체와 하부 이탈방지몸체가 돌출되도록 설치되어, 상기 복합 부유물이 상기 상부, 하부 이탈방지몸체 사이에서 상하자유운동되는 것을 특징으로 하는 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치.
   
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 순환파이프의 일측에 설치되어 상기 순환파이프 내부에 기포가 발생되도록 하는 기포발생수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치.
   
5. 제 6항에 있어서,
   상기 기포발생수단은 상기 순환파이프내의 자성유체를 가열하도록 하는 히터인 것을 특징으로 하는 자성 및 비자성 복합 부유물을 포함하는 자성유체를 이용한 고효율 연속발전 사이클 장치.
   

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