KR101445491B1 - 냉매를 이용한 소형 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매의 팽창력을 이용하여 전기를 일으키는 냉매를 이용한 소형 발전기에 관한 것으로, 냉매를 이용한 소형발전기는 팽창 유니트와 상기 팽창 유니트에 결합된 발전유니트를 구비하고, 상기 팽창 유니트는: 내부에 팽창된 냉매가 수용되는 내부 공간부를 가지며, 상기 내부 공간부을 외부로 연결하는 개구부를 갖는 외부 카트리지와; 상기 외부 카트리지 내에 공간적으로 떨어져 위치하고 상기 외부 카트리지의 공간부와 연결되는 통로를 가지며 내부에 냉매가 팽창되는 캠링 공간부로 된 캠링과, 상기 캠링 공간부에 위치하는 회전체와, 회전체가 부착되고 상기 외부 카트리지의 내부 공간부를 지나 외부로 빠져 나와 있는 회전축과, 상기 외부 카트리지의 내부 공간부를 지나 상기 캠링 공간부와 연결되는 냉매 도입관으로 구성되고,
상기 발전 유니트는: 상기 팽창 유니트에 결합된 고정자와; 상기 팽창 유니트로부터 연장된 회전축에 부착된 회전자로 구성되어 냉매의 흐름을 원활히 하여 냉방이나 난방효과를 떨어뜨리지 않으면서도 냉매의 팽창력으로 발전할 수 있다.

Description

냉매를 이용한 소형 발전기 {A small generastor using refrigerants}
본 발명은 냉매의 팽창력을 이용하여 전기를 일으키는 냉매를 이용한 소형 발전기에 관한 것을, 더 상세히는 팽창 밸브 대신에 팽창 유니트에서 냉매를 팽창시킬 때 발생하는 냉매의 팽창력을 이용하여 전기를 일으키는 냉매를 이용한 소형 발전기에 관한 것이다.
열 교환기는 도 1에 도시된 바와 같이, 사이클 내에 봉입된 냉매가 기체와 액체 사이를 상변화하면서 순환하여 열교환 된다. 열 교환 사이클에서 저압 기체상태의 냉매는 압축기(11)에서 단열 압축되어 고압 기체상태의 냉매로 된다. 고압 기체상태의 냉매는 응축기(13)에서 주위로 열을 방출하면서 응축되어 액체상태로 된다. 액체상태의 냉매는 팽창기(15)에서 단열 팽창되어, 고압 기체상태로 되고, 증발기(17)에서 주위의 열을 흡수하면서 저압 기체상태로 된다. 기체와 액체 사이를 상변화하면서 순환하는 열교환 사이클(1)은 냉매가 단열 팽창될 때 주위로 열을 흡수하고, 팽창될 때 주위로 열을 방출하면서 열교환을 하는 과정이다.
이러한 열교환 과정은 공기조화장치에 사용된다. 열교환 사이클에서 고압 기체상태의 냉매가 단열 팽창되어 저압 기체상태의 냉매로 되는 과정은 실내 냉방에 사용되고, 저압 기체상태의 냉매가 단열 압축되어 고압 기체상태로 되어 액체상태로 응축되는 과정은 실내 난방에 사용될 수 있다.
우리는 현재, 지구 온난화, 오존층 파괴 등의 환경 문제나, 전력 문제, 화석연료 고갈등의 에너지 문제에 직면하고 있다. 이러한 가운데, 지금까지 버려지고 있는 에너지를 이용하여 발전을 하려는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 발전을 위해서 새로운 연료를 필요로 하지 않고, 발전의 과정에서 이산화탄소를 발생하지 않는 것은, 에너지 문제의 해결뿐만 아니라 환경 문제에 도움이 되는 것을 의미한다.
냉매의 상태변화 특성을 이용하여 액체상태의 냉매를 기체상태로 변환할 때, 기체의 팽창력을 전기를 발생시키는 장치가 냉매가스 터빈 발전기를 이용 절전형 히트펌프라는 명칭으로 대한민국 공개특허공보 10-2006-0066154에 공개되어 있다. 위 냉매가스 터빈 발전기를 이용 절전형 히트펌프는 압축기 - 응축기 - 팽창밸브 - 증발기의 냉매순환배관으로 구성되었던 히트펌프 싸이클에서 팽창밸브를 대체하여 냉매가스터빈 발전기를 설치해서 배관에 흐르는 냉매운동으로 회전력을 얻고 발전하는 장치이다.
위 냉매가스 터빈 발전기를 이용 절전형 히트펌프에서 냉매가스터빈 발전기를 구동하는 냉매가 항상 일정한 방향으로 흐르도록 압축기 토출배관에 4방 밸브가 설치되어 있다. 그런데 냉매가 터빈발전기를 회전시키면서 팽창될 때 좁은 단면적으로 인하여 유체의 저항이 커져 냉매가 원활하게 흐르지 못하여 냉방이나 난방효과가 떨어지는 문제가 발생하였다.
본 발명은 냉매의 흐름을 원활히 하여 냉방이나 난방효과를 떨어뜨리지 않으면서도 냉매의 팽창력으로 발전할 수 있는 열교환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 상기 목적은 팽창 유니트와 상기 팽창 유니트에 결합된 발전유니트로 구성된 냉매를 이용한 소형 발전기에 있어서, 상기 팽창 유니트는: 내부에 팽창된 냉매가 수용되는 내부 공간부를 가지며, 상기 내부 공간부을 외부로 연결하는 개구부를 갖는 외부 카트리지와; 상기 외부 카트리지 내에 공간적으로 떨어져 위치하고 상기 외부 카트리지의 공간부와 연결되는 통로를 가지며 내부에 냉매가 팽창되는 캠링 공간부로 된 캠링과, 상기 캠링 공간부에 위치하는 회전체와, 회전체가 부착되고 상기 외부 카트리지의 내부 공간부를 지나 외부로 빠져 나와 있는 회전축과, 상기 외부 카트리지의 내부 공간부를 지나 상기 캠링 공간부와 연결되는 냉매 도입관으로 구성되고, 상기 발전 유니트는: 상기 팽창 유니트에 결합된 고정자와; 상기 팽창 유니트로부터 연장된 회전축에 부착된 회전자로 된 구성에 의해 달성된다.
상기 구성에서 회전축의 중심을 캠링의 중심으로부터 편심되어 하여 캠링 공간부를 팽창영역과 토출영역으로 만들 수 있다. 또, 회전축의 중심은 캠링의 중심을 지나게 하고, 회전체의 중심을 회전축으로부터 편심되어 하여 캠링 공간부를 팽창영역과 토출영역으로 만들 수 있다.
상기 구성에서, 팽창유니트에 결합된 고정자는 권선이 감겨져 있는 코어로 하고, 회전축에 고정된 회전자는 영구자석으로 구성하는 것이 바람직하다. 이는 권선이 감져진 고정자의 무게가 회전자에 비해 크기 때문에 회전축에 의해 회전되는 구성의 무게를 작게 하기 위한 것이다. 이 경우, 회전자가 고정자를 감싸는 형태로 구성하는 것으로 발전 유니트의 구성을 간단히 할 수 있다.
상기 구성에 의하여 냉매의 흐름을 원활히 하여 냉방이나 난방효과를 떨어뜨리지 않으면서도 냉매의 팽창력으로 발전할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 열교환 사이클을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따르는 팽창 유니트와 발전 유니트로 소형 발전기된 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 소형 발전기에서 팽창 유니트의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 소형발전기에서 발전 유니트의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따르는 소형발전기의 팽창 유니트와 발전 유니트의 부분 절단 사시도이다.
도 6은 도 2의 절단선 VI-VI로 절단한 소형발전기의 팽창 유니트와 발전유니트의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따르는 소형발전기의 팽창 유니트에서 캠링과 회전체의 배치관계를 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 팽창 및 발전 유니트는 팽창 유니트(10)와 팽창 유니트(10)에 부착된 발전 유니트(20)로 구성된다. 팽창 유니트(10)는 다음에 설명되는 바와 같이 외부 카트리지(100)와 외부 카트리지(100) 내에 위치하는 내부 카트리지(150)로 구성된다.
외부 카트리지(100)는 외부 중간부재(121)를 사이에 두고 단면 양쪽에서 외부 중간부재(121)를 폐쇄하는 외부 전방 측면부재(111)와 외부 후방 측면부재(131)로 구성된다. 외부 중간부재(121)의 한쪽에는 내부의 내부 카트리지(150)와 연결된 냉매 도입관(141)이 설치되어 있다. 발전 유니트(20)는 외부 카트리지(100)의 외부 후방 측면부재(131)에는 부착된다.
도 3을 참조하면, 외부 중간부재(121)는 내부가 공간부(123)로 되어 있으며, 한 측면에는 냉매 도입관(141)이 끼워지는 구멍(125)이 뚫려 있다. 외부 중간부재(121)의 내부의 공간부(123)는 외부 전방 측면부재(111)와 외부 후방 측면부재(131)에 의해 폐쇄되어 팽창된 냉매가 수용된다.
외부 전방 측면부재(111)의 가운데는 포켓(113)이 형성되어 잇으며, 가운데에는 개구구멍(115)이 뚫려있다. 외부 전방 측면부재(111)의 포켓(113)과 외부 중간부재(121)의 내부의 공간부(123)는 폐쇄될 때 하나의 공간부를 이루는데 이를 설명의 편의를 위해 외부 카트리지 공간부라고 한다. 외부 카트리지 공간부에 수용되는 팽창된 냉매는 외부 전방 측면부재(111)에 형성된 개구구멍(115)을 통하여 외부로 유출된다.
외부 후방 측면부재(131)의 가운데에는 회전축 통과 구멍(133)이 뚫려 있다. 회전축(189)은 회전축 통과 구멍(133)을 지나 외부 카트리지(100)를 빠져 나와 발전 유니트(20)와 결합된다.
외부 카트리지의 공간부에는 내부 카트리지(150)가 위치한다. 내부 카트리지(150)는 캠링(171)과 내부 전방 측면부재(161) 그리고 내부 후방 측면부재(191)를 갖는다. 캠링(171)의 중앙은 원형의 개방부(175)로 되어 있다. 캠링(171)에는 냉매 도입구멍(173)이 중앙의 원형 개방부(175)까지 뚫려 있으며, 또 캠링(171)에는 스텝(177)이 형성되어 있다.
캠링(171) 중앙의 원형의 개방부(175)는 양쪽 측면에 위치하는 내부 전방 측면부재(161) 및 내부 후방 측면부재(191)에 의해 폐쇄되어 내부가 공간부로 되어 있다. 이를 설명의 편의상 캠링 공간부라고 한다. 캠링 공간부는 냉매 도입구멍(173)에 끼워지는 냉매 도입관(141)을 거쳐 외부로 통하고 있다. 캠링(171)의 스텝(177)은 캠링(171)의 전방 및 후방의 양쪽 측면을 폐쇄하는 내부 전방 측면부재(161) 및 내부 후방 측면부재(191) 사이에 갭(G)을 만든다. 갭(G)은 캠링 공간부를 외부 카트리지의 공간부로 연결한다. 캠링 공간부, 갭 그리고 외부 카트리지 공간부는 냉매가 순환하는 냉동 사이클의 일부가 된다.
캠링 공간부 내에는 원반 형태의 회전체(181)가 위치한다. 원반 형태의 회전체(181)는 한쪽이 내부 전방 측면부재(141)와 내부 후방 측면부재(191)에 지지되는 회전축(189)에 부착된다. 원반 형태의 회전체(181)의 중심과 캠링(171) 중앙의 원형 개방부(175)의 중심은 서로 일치되지 않도록 설치된다. 원반 형태의 회전체(181)의 중심과 캠링(171) 중앙의 원형 개방부(175)의 중심은 서로 일치되지 않도록 회전축(189)은 캠링(171) 중앙의 원형 개방부(175)의 중심을 지나지 않도록 설치된다.
회전축(189)은 내부 후방 측면부재(191)에 끼워지는 베어링(193)에 지지되면서 내부 후방 측면부재(191)를 지나 외부 후방측면부재(130))를 벗어나 외부로 연장된다. 회전체(181)가 캠링(171)의 중심을 벗어나 편심되어 있기 때문에 캠링 공간부내에서 회전체(181)의 원주면과 캠링 사이에는 가장 근접된 지점과 가정 먼 지점이 만들어진다.
냉매는 외부 카트리지 공간부를 지나는 냉매 도입관(125)을 통해 캠링 공간부로 들어가고 캠링(171)의 스텝(177)을 통해 외부 카트리지 공간부로 들어가서 외부 전방 측면부재(111)의 개구구멍(115)을 통하여 외부로 빠져 나온다.
원반 형태의 회전체(181)의 원주면과 캠면 사이의 공간부는 연속되어 있어 엄격하게 구분될 수 없지만 가장 근접된 지점 근처에는 냉매 도입관(125)으로 연결되는 구멍이 뚫려 있다. 필요에 따라 캠링(171)에는 복수개의 스텝(177)이 형성될 수 있다. 캠링 바디부에서 냉매 도입관(125)으로 연결되는 구멍이 뚫려 있는 부근의 캠링 공간부는 냉매의 팽창영역으로 정의되고, 스텝(177)이 형성된 부근의 캠링 공간부는 토출영역으로 정의된다.
원반 형태의 회전체(181)에는 회전축을 중심으로부터 일정한 각도로 분할된 복수개의 슬롯(183)이 형성되어 있고, 각각의 슬롯(183)에는 베인(187)이 끼워져 있다. 베인(187)은 원반 형태의 회전체(181)가 회전함에 따라 원심력에 의해 슬롯(183) 내를 들어가고 나간다. 베인(187)이 원반 형태의 회전체(181)의 슬롯을 빠져 나왔을 때 한쪽 끝부분은 캠링(171)의 캠면과 접촉한다.
냉매 도입관(125)과 연결된 구멍(173)을 통해 캠링 공간부로 들어오는 압축된 냉매는 팽창영역에서 팽창되면서 회전체(181)의 슬롯(183)으로부터 빠져 나와 있는 베인(187)을 밀어 토출영역 쪽으로 팽창공간을 확대한다. 냉매가 팽창영역에서 팽창되면서 회전체(181)의 슬롯(183)으로부터 빠져 나와 있는 베인(187)을 밀어 토출영역 쪽으로 팽창공간을 확대함에 따라 회전체(189)가 회전을 한다.
회전체(181)가 회전함에 따라 팽창된 냉매는 토출영역 쪽으로 흐르고 캠링(171)의 스텝(177)을 통하여 캠링 공간부를 빠져나와 외부 카트리지 공간부로 들어간다. 외부 카트리지 공간부로 들어간 팽창된 냉매는 외부 카트리지의 외부 전방 측면부재(111)에 형성된 개구구멍(115)을 통하여 빠져나와 증발기로 들어간다. 이러한 과정은 압축된 냉매가 냉매 도입관(125)과 연결된 구멍을 통해 캠링 공간부로 들어가는 동안 계속되고, 그러는 동안 회전체(181)는 계속 회전한다.
도 4를 발전유니트(20)의 분해 사시도이다. 도 4를 참조하면, 외부 카트리지의 후방 측면부재(131)에는 발전유니트(20)가 부착된다. 발전유니트(20)는 외부 카트리지의 후방 측면부재(131)를 빠져나온 회전축(189)에 부착된 회전자(221)와 외부 카트리지의 후방 측면부재(131)에 부착된 고정자(211)로 구성된다.
고정자(211)는 중심부로부터 방사상으로 뻗어 있는 코어(213)에 코일(215)이 감겨져 있는 형태로, 중심부(217)는 회전축이 통과하도록 원통형 홈으로 뚫려 있다. 고정자(211)는 체결볼트(219)에 의해 외부 카트리지의 후방 측면부재(131)에 고정된다. 고정자(211)와 외부 카트리지의 후방 측면부재(131) 사이에는 스페이서(218)가 위치한다. 스페이서(219)는 체결볼트로 고정자(211)를 외부 카트리지의 후방 측면부재(130)에 부착할 때 고정자(211)와 외부 카트리지의 후방 측면부재(131) 사이의 간격을 조절하기 위한 것이다.
회전자(221)는 원통형으로 된 회전자 커버(223)와 회전자 커버(223) 내에 부착되는 영구자석(231)으로 구성된다. 원통형으로 된 회전자 커버(223)는 내부에 부착된 영구자석(231)이 코일이 감겨져 있는 고정자(211)를 감싸는 형태로 회전축(189)에 부착된다. 회전자(221)와 회전축(189)은 어댑터(241)에 의해 결합된다. 어댑터(241)의 연장부(243)에는, 회전축 커버(221)에 뚫려 있는 구멍(225)을 통과하여 연장되는 회전축(189)이 끼워진다. 어탭터(241)의 연장부(243)에는 회전축(189)가 끼워지도록 회전축 수용구멍(245)이 뚫려있다. 어댑터(241)는 볼트에 의해 회전자 커버(221)에 고정된다.
어탭터(241)의 연장부(243)의 중심부의 회전축 수용구멍(245)에 끼워지는 회전축(160)은 어댑터(241)를 지나 외부로 노출되어 체결부재(251)에 의해 더욱 단단히 고정된다.
도 5는 도 3 및 도 4에서 설명한 구성에 의해 조립된 팽창기구와 팽창기에 연결된 발전기의 부분 절단 사시도로, 캠링 공간부가 캠링 바디부의 스텝을 통해 외부 카트리지 공간부와 연결되는 모양이 나타나 있다.
도 6은 도 2의 팽창 유니트에서 캠링과 회전체의 배치를 나타내는 도면으로, 베인(177)이 캠링(150)의 캠면과 접촉하는 모양이 나타나 있다.
도 7은 팽창 유니트에서 캠링과 회전체의 배치를 나타내는 도면이다.
회전체(171)의 원주면과 캠면 사이의 공간부(CS)는 연속되어 있어 엄격하게 구분될 수 없지만 가장 근접된 지점 근처에는 냉매 도입관(125)으로 연결되는 구멍이 뚫려 있고, 가장 먼 지점 근처의 캠링 바디부에는 스텝이 형성되어 있다. 필요에 따라 캠링 바디부에 냉매 도입관(125)으로 연결되는 구멍이 뚫려 있는 지점과 스텝이 형성된 지점사이에 또 다른 스텝이 형성될 수 있다. 이들 스텝(157)은 캠링 공간부와 외부 카트리지 공간부를 연결하여 캠링 공간부로부터 팽창된 냉매가 냉매가 빠져 나가는 통로가 된다. 캠링 바디부에서 냉매 도입관(125)으로 연결되는 구멍이 뚫려 있는 부근의 캠링 공간부는 냉매의 팽창영역(EA)으로 정의되고, 스텝이 형성된 부근의 캠링 공간부는 토출영역(OA)으로 정의된다.
회전체(160)에는 회전축을 중심으로부터 일정한 각도로 분할된 복수개의 슬롯이 형성되어 있고, 각각의 슬롯에는 베인이 끼워져 있다. 베인(177)은 회전체(160)가 회전함에 따라 원심력에 의해 슬롯(175) 내를 입출입한다. 회전체가 회전할 때 베인은 슬롯을 빠져 나오고 끝부분은 캠링의 캠면과 접촉한다.
이상과 같은 구성에 의해 본 발명은 냉매의 흐름을 원활히 하여 냉방이나 난방효과를 떨어뜨리지 않으면서도 냉매의 팽창력으로 발전할 수 있다.
10 팽창 유니트 100 외부 카트리지
111 외부 전방 측면부재 121 외부 중간부재 131 외부 후방 측면부재
141 냉매 도입관
150 내부 카트리지
161 내부 전방 측면부재 171 캠링 181 회전체
191 내부 후방 측면부재
20 발전 유니트
211 고정자 221 회전자

Claims (5)

  1. 팽창 유니트와 상기 팽창 유니트에 결합된 발전유니트로 구성된 냉매를 이용한 소형 발전기에 있어서,
    상기 팽창 유니트는:
    내부에 팽창된 냉매가 수용되는 내부 공간부를 가지며, 상기 내부 공간부을 외부로 연결하는 개구부를 갖는 외부 카트리지와;
    상기 외부 카트리지 내에 공간적으로 떨어져 위치하고 상기 외부 카트리지의 공간부와 연결되는 통로를 가지며 내부에 냉매가 팽창되는 캠링 공간부로 된 캠링과, 상기 캠링 공간부에 위치하는 회전체와, 회전체가 부착되고 상기 외부 카트리지의 내부 공간부를 지나 외부로 빠져 나와 있는 회전축과, 상기 외부 카트리지의 내부 공간부를 지나 상기 캠링 공간부와 연결되는 냉매 도입관으로 구성되고,
    상기 발전 유니트는:
    상기 팽창 유니트에 결합된 고정자와;
    상기 팽창 유니트로부터 연장된 회전축에 부착된 회전자로 구성된 냉매를 이용한 소형 발전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전축의 중심은 상기 캠링의 중심으로부터 편심되어 있는 냉매를 이용한 소형 발전기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전축의 중심은 상기 캠링의 중심을 지나고, 상기 회전체의 중심은 상기 회전축으로부터 편심되어 있는 냉매를 이용한 소형 발전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창유니트에 결합된 상기 고정자는 권선이 감겨져 있는 코어이고, 상기 회전축에 고정된 회전자는 영구자석인 냉매를 이용한 소형 발전기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 회전자는 외부에서 상기 고정자의 코어를 감싸는 냉매를 이용한 소형 발전기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20060034475A (ko) * 2004-10-19 2006-04-24 한국과학기술연구원 초소형 동력 발생장치
JP2007309190A (ja) 2006-05-18 2007-11-29 Ntn Corp 熱発電タービンユニット
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KR20130065955A (ko) * 2011-12-12 2013-06-20 주식회사 네오너지 바이오 연료의 열원을 이용한 스크롤 팽창기 발전시스템

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