KR101464646B1 - 열전발전 혼용 와전류 제동시스템 - Google Patents

Abstract

열전발전 혼용 와전류 제동시스템은 차축, 회전디스크 및 제동디스크를 포함한다. 상기 차축은 회전하며, 상기 회전디스크는 상기 차축에 고정되어 상기 차축의 회전과 동시에 회전한다. 상기 회전디스크는 제1 및 제2 자석부들을 포함한다. 상기 제동디스크는 상기 차축의 회전과 무관하게 고정되며, 제동시 상기 회전디스크로 근접하여 와전류를 생성하여 상기 회전디스크를 제동한다.

Description

열전발전 혼용 와전류 제동시스템{EDDY-CURRENT BRAKING SYSTEM WITH THERMOELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제동과 동시에 열전발전을 수행할 수 있는 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에 관한 것이다.

와전류 제동(eddy-current brake)이란 차량의 전기제동의 일종으로 차축에 고정한 브레이크 디스크(brake disc)와 일정 간극(gap)을 두고 배치된 전자석(electromagnet) 사이의 상대운동에 따라 디스크 면에 유기되는 와전류에 의해 발생하는 제동력을 이용하는 것이다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 기술에 의한 와전류 제동시스템(10)을 도시한 것으로, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 와전류 제동시스템(10)은 차축(11), 제1 디스크(12) 및 제2 디스크(13)를 포함한다. 상기 제1 디스크(12)는 상기 차축(11)에 연결되어 차축의 회전에 따라 회전하며, 상기 제2 디스크(13)는 제동시 상기 제1 디스크(12) 방향으로 이동한다. 상기 제2 디스크(13)에는 전자석 또는 영구자석에 해당되는 제1 및 제2 자석부들(15, 16)이 형성되어 자기장을 발생시키므로, 상기 제2 디스크(13)가 상기 제1 디스크(12)로 근접하면 상기 제1 디스크(12)의 표면에 와전류를 생성시켜 상기 제1 디스크(12)의 제동력을 발생시킨다.

그러나, 상기 와전류에 의한 제동시 상기 제1 디스크(12)에는 줄(Joule)열이 발생하며, 이러한 열은 상기 제1 디스크(12)의 전기저항을 증가시켜 와전류를 감소시키고, 결과적으로 제동력이 감소하게 된다.

따라서, 와전류에 의한 제동시스템에서는 제동력 향상을 위해 제1 디스크(12)에서 발생하는 열을 감소시킬 필요성이 요구된다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 제동효과를 향상시키고 열을 이용하여 열전발전도 가능한 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 열전발전 혼용 와전류 제동시스템은 차축, 회전디스크 및 제동디스크를 포함한다. 상기 차축은 회전하며, 상기 회전디스크는 상기 차축에 고정되어 상기 차축의 회전과 동시에 회전한다. 상기 회전디스크는 제1 및 제2 자석부들을 포함한다. 상기 제동디스크는 상기 차축의 회전과 무관하게 고정되며, 제동시 상기 회전디스크로 근접하여 와전류를 생성하여 상기 회전디스크를 제동한다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 자석부들은 영구자석 또는 전자석의 N극 및 S극일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제동디스크는 비자성체를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제동디스크는 내부에 형성되어 냉각수가 통과하는 수냉관을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 수냉관을 통과한 고온수를 열교환을 통해 냉각키며 전기에너지를 발생하는 열전발전부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열전발전부는, 상기 수냉관을 통과한 고온수가 통과하는 배관부, 상기 배관부를 수납하는 수납공간을 형성하는 프레임부, 및 상기 프레임부에 고정되며 상기 배관부에 인접하도록 배치되는 복수의 열전소자들을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열전발전부는 상기 프레임부의 상면 또는 하면으로부터 연장된 방열부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열전소자는 일면은 상기 배관부와 마주하고 타면은 상기 방열부와 마주하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 종래의 와전류를 이용한 제동시스템과 달리 제동디스크를 고정시키고 상대적으로 영구자석 또는 전자석이 형성된 디스크를 회전시키므로 제동시스템의 디스크 설계의 다양성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 제동디스크가 회전하지 않으므로 상기 제동디스크에서 발생하는 열을 냉각할 수 있는 구조를 설계할 수 있어 상기 제동디스크의 냉각을 통한 제동력 향상을 도모할 수 있다.

특히, 상기 제동디스크의 내부에 수냉관이 형성되어 냉각수가 통과하며 상기 제동디스크에서 발생하는 열을 흡수하므로 상기 제동디스크의 냉각 효과를 향상시켜 결과적으로 상기 회전디스크의 제동력을 향상시킬 수 있다.

또한, 열전발전부를 통해 상기 수냉관을 통과한 고온수를 열교환을 통해 전기에너지로 변환하므로, 에너지 활용의 효용성을 극대화할 수 있다.

특히, 상기 열전발전부는 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자가 일면은 상기 고온수와 마주하고 타면은 방열부와 마주하도록 배치되므로, 양 표면에서의 온도차를 극대화하여 열전소자를 통한 전기에너지로의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1a는 종래 기술에 의한 와전류 제동시스템을 도시한 사시도이며, 도 1b는 종래 기술에 의한 와전류 제동시스템을 도시한 정면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에서 제동 시스템을 도시한 사시도이며, 도 2b는 상기 제동 시스템을 도시한 정면도이다.
도 3은 도 2a의 제동디스크를 도시한 측면도이다.
도 4는 도 2a의 본 실시예에 의한 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에서 열전발전부를 도시한 사시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에서 제동 시스템을 도시한 사시도이며, 도 2b는 상기 제동 시스템을 도시한 정면도이다.

본 실시예에 의한 열전발전 혼용 와전류 제동시스템은 제동 시스템(20) 및 열전발전부(40)를 포함하며, 상기 열전발전부(40)는 도 4를 참조하여 후술한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 제동 시스템(20)은 차축(21), 회전디스크(22) 및 제동디스크(30)를 포함한다.

상기 차축(21)은 구동부(미도시)로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전축이다. 상기 차축(21)은 와전류를 이용한 제동시스템의 적용이 가능한 다양한 형태의 일반 자동차 또는 철도 차량의 회전축일 수 있다.

상기 회전디스크(22)는 원형 플레이트(plate) 형상을 가지며, 상기 차축(21)에 고정되어 상기 차축(21)의 회전과 함께 회전한다. 상기 회전디스크(22)는 제1 및 제2 자석부들(23, 24)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 자석부들(23, 24)은 각각 영구자석 또는 전자석의 N극 및 S극일 수 있다.

즉, 상기 회전디스크(22)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 차축(21)을 기준으로 상부는 N극의 영구자석 또는 전자석, 하부는 S극의 영구자석 또는 전자석으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 회전디스크(22)는 상기 제동디스크(30)와 마주하는 면의 일부만 영구자석 또는 전자석으로 형성될 수 있다.

상기 제동디스크(30)도 상기 회전디스크(22)와 동일하게 원형 플레이트(plate) 형상을 가지며 상기 회전디스크(22)와 마주하도록 배치된다. 상기 제동디스크(30)는 중앙에 개구부(31)가 형성되며, 상기 차축(21)은 상기 개구부(31)를 통과하여 연장된다.

따라서, 상기 차축(21)이 상기 회전디스크(22)와 함께 회전하더라도 상기 제동디스크(30)는 회전하지 않으며 고정된 상태를 유지한다. 이 경우, 상기 제동디스크(30)는 도시하지는 않았으나 별도의 고정프레임에 고정되어 고정된 상태를 유지할 수 있다.

한편, 상기 제동디스크(30)는 상기 회전디스크(22) 및 상기 차축(21)의 제동이 필요한 경우, 화살표로 도시된 바와 같이 상기 회전디스크(22) 방향으로 이동하여 상기 회전디스크(22)에 근접한다. 이 경우, 마찬가지로 도시하지는 않았으나 상기 고정프레임이 상기 제동디스크(30)를 상기 회전디스크(22) 방향으로 이동시킬 수 있다.

이와 같이, 상기 제동디스크(30)가 상기 회전디스크(22)에 근접하면, 상기 제동디스크(30)의 표면에 와전류가 발생하며 상기 와전류에 의한 자기장과 상기 회전디스크(22)의 전자석(또는 영구자석) 사이의 작용력(플레밍의 왼손법칙에 의한 전자력)을 통해 상기 회전디스크(22)의 회전을 방해하여 결과적으로 상기 회전디스크(22)를 제동시킨다.

이 후, 상기 차축(21)의 회전에 따라 상기 회전디스크(22)의 회전이 필요한 경우, 상기 제동디스크(30)는 상기 회전디스크(22)로부터 이격되어 위치한다.

한편, 상기 제동디스크(30)가 상기 회전디스크(22)에 근접하게 위치하여 상기 회전디스크(22)의 회전을 제동하는 경우, 상기 제동디스크(30)에서는 줄열(Joule heat)이 발생하는데 상기 제동디스크(30)에서 발생하는 줄열은 결국 저항을 증가시켜 와전류의 생성을 감소시키며 이는 곧 상기 회전디스크(22)의 제동력을 감소시키게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 상기 제동디스크(30)에서 발생하는 줄열을 감소시키기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제동디스크(30)를 냉각시킨다.

도 3은 도 2a의 제동디스크를 도시한 측면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 제동디스크(30)의 내부에는 수냉관(34)이 통과한다. 상기 수냉관(34)은 인입부(32) 및 인출부(33)를 포함한다.

상기 인입부(32)를 통해 냉각수가 인입되면 상대적으로 저온의 냉각수가 상기 수냉관(34)을 통과하며 상기 제동디스크(30)에서 발생하는 열을 흡수하여 상대적으로 고온수가 되어 상기 인출부(33)를 통해 유출된다.

그리하여, 상기 제동디스크(30)에서 발생한 열은 상기 수냉관(34)을 통과하는 냉각수로 흡수되어, 상기 제동디스크(30)가 냉각된다.

이 경우, 상기 수냉관(34)은 상기 제동디스크(30) 내부에 균일하게 배열되는 것이 바람직하며, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제동디스크(30)의 외면으로부터 상기 개구부(31)를 향해 원형으로 배열될 수 있다. 이와 달리, 상기 제동디스크(30)에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수할 수 있는 다양한 배열이 가능할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나, 상기 인입부(32)는 냉각수를 저장 및 공급하는 별도의 냉각수 공급부와 연결되어 냉각수가 제공될 수 있다. 또한, 상기 인출부(33)로 인출되는 상대적으로 고온인 고온수는 후술할 상기 열전발전부(40)로 제공된다.

도 4는 도 2a의 본 실시예에 의한 열전발전 혼용 와전류 제동시스템에서 열전발전부를 도시한 사시도이다.

도 4를 참조하면, 상기 열전발전부(40)는 인입라인(41) 및 인출라인(42)을 포함하는 배관부(43), 열전소자(44), 수납공간(46)을 형성하는 프레임부(45), 제1 및 제2 방열부들(47, 48) 및 전원라인(49)을 포함한다.

우선, 상기 프레임부(45)는 도 4에 도시된 바와 같이 사각기둥 형상의 수납공간(46)을 형성하며, 상기 열전발전부(40)의 외형을 형성한다. 이 경우, 상기 프레임부(45)의 형상은 다양하게 변형될 수 있으며, 상기 프레임부(45)의 형상에 따라 상기 수납공간(46)의 형상도 다양하게 변형될 수 있다.

상기 배관부(43)는 상기 수납공간(46)의 내부에 일정한 형태로 배열되며, 상기 수냉관(34)을 통과한 고온수가 인입되는 인입라인(41) 및 상기 고온수가 상기 수납공간(46)을 통과하며 열교환되어 저온수 상태로 외부로 배출되는 인출라인(41)을 포함한다.

이 경우, 상기 배관부(43)는 상기 수납공간(46)의 내부에서 지그재그(zigzag) 형태로 균일하게 배열될 수 있다.

상기 수납공간(46)의 상부 및 하부에는 각각 복수의 열전소자들(44)이 배치된다.

본 실시예에서 상기 배관부(43)를 통과하는 고온수와의 열교환의 효과를 최대화하기 위해서는 상기 열전소자들(44)이 상기 배관부(43)와 마주하는 면적이 최대인 것이 바람직하므로, 상기 배관부(43)가 상기 수납공간(46)의 내부에서 지그재그 형태로 배열된다면 상기 열전소자들(44)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 배관부(43)의 상부 및 하부에 나란히 배열되는 것이 바람직하다.

일반적으로 열전소자란 전류의 방향에 따라 한쪽 면에서는 흡열하고 반대 면에서는 발열을 일으키는 펠티어(Peltier) 효과를 이용한 소자로 펠티어소자라고도 하는데, 본 실시예의 상기 열전소자(44)는 상기 펠티어 효과를 역으로 이용하여 한쪽 면을 가열하고 다른 면을 냉각시키면 전류가 생성되는 열전발전이 가능한 소자이다.

따라서, 상기 열전소자들(44)은 일면이 상기 배관부(43)와 마주하여 가열되도록 배치되었다면, 상기 열전소자들(44)의 타면은 냉각이 필요하다. 그리하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 프레임부(45)의 상면 및 하면에는 각각 제1 방열부(47) 및 제2 방열부(48)가 배치된다.

상기 제1 및 제2 방열부들(47, 48)은 상기 프레임부(45)의 상면 및 하면으로부터 외부방향으로 공기와의 접촉면을 증가시키며 연장되도록 복수개가 형성된다.

결국, 상기 열전소자들(44)은 일면은 상기 수납공간(46)을 향하도록 배치되어 상기 수납공간(46)에 수납된 상기 배관부(43)를 통과하는 상대적으로 고온인 고온수에 의해 가열되며, 상기 열전소자들(44)의 타면은 상기 수납공간(46)의 반대를 향하도록 배치되어 상기 프레임부(45)의 외부방향에 배치된 상기 제1 및 제2 방열부들(47, 48)에 의해 냉각된다. 그리하여, 상기 열전소자들(44)은 펠티어 효과에 의해 전류를 생성하고, 이렇게 생성된 전류는 상기 전원라인(49)을 통해 전달되어 전기 에너지로 생성된다.

한편, 상기 전원라인(49)은, 도시하지는 않았으나, 상기 열전소자들(44) 각각에 모두 연결되어 상기 열전소자들(44) 각각으로부터 발생하는 전류를 전달할 수 있다.

또한, 고온인 상태에서 상기 열전소자들(44)을 가열한 고온수는 상기 배관부(43)를 통과하며 상대적으로 저온으로 온도가 하강하며 상기 인출라인(42)으로 유출되며, 상기 인출라인(42)으로 인출된 저온수는 별도의 저장부에 저장될 수 있다. 이 경우, 상기 저장부는 상기 냉각수 공급부와 연결되어, 상기 저장부에 저장된 저온수가 냉각수로 상기 수냉관(34)으로 재인입되며 순환될 수 있다.

이와 같이, 상기 제동디스크(30)를 냉각하며 열을 흡수한 고온수를 상기 열전발전부(40)를 통해 전기에너지를 생성하며 저온수로 변환시키므로, 제동디스크 냉각 및 전기에너지 생성의 두 가지 효과를 동시에 구현할 수 있어, 제동시스템 전체의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 종래의 와전류를 이용한 제동시스템과 달리 제동디스크를 고정시키고 상대적으로 영구자석 또는 전자석이 형성된 디스크를 회전시키므로 제동시스템의 디스크 설계의 다양성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 제동디스크가 회전하지 않으므로 상기 제동디스크에서 발생하는 열을 냉각할 수 있는 구조를 설계할 수 있어 상기 제동디스크의 냉각을 통한 제동력 향상을 도모할 수 있다.

특히, 상기 제동디스크의 내부에 수냉관이 형성되어 냉각수가 통과하며 상기 제동디스크에서 발생하는 열을 흡수하므로 상기 제동디스크의 냉각 효과를 향상시켜 결과적으로 상기 회전디스크의 제동력을 향상시킬 수 있다.

또한, 열전발전부를 통해 상기 수냉관을 통과한 고온수를 열교환을 통해 전기에너지로 변환하므로, 에너지 활용의 효용성을 극대화할 수 있다.

특히, 상기 열전발전부는 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자가 일면은 상기 고온수와 마주하고 타면은 방열부와 마주하도록 배치되므로, 양 표면에서의 온도차를 극대화하여 열전소자를 통한 전기에너지로의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 열전발전 혼용 와전류 제동시스템은 철도차량의 제동 시스템에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.

20 : 제동시스템 21 : 차축
22 : 회전디스크 23 : 제1 자석부
24 : 제2 자석부 30 : 제동디스크
34 : 수냉관 40 : 열전발전부
43 : 배관부 44 : 열전소자
45 : 프레임부 46 : 수납공간
47 : 제1 방열부 48 : 제2 방열부

Claims (8)

1. 회전하는 차축;
   상기 차축에 고정되어 상기 차축의 회전과 동시에 회전하며, 제1 및 제2 자석부들을 포함하는 회전디스크;
   제동시 상기 회전디스크로 근접하여 와전류를 생성하여 상기 회전디스크를 제동하고, 내부에 형성되어 냉각수가 통과하는 수냉관을 포함하는 비자성체인 제동디스크; 및
   상기 수냉관을 통과한 고온수를 열교환을 통해 냉각시키며 전기에너지를 발생하는 열전발전부를 포함하고,
   상기 제동디스크의 중앙에는 개구부가 형성되어 상기 차축은 상기 개구부를 통과하며 연장되어, 상기 제동디스크는 상기 차축의 회전에 따라 상기 회전디스크가 회전하는 것과 무관하게는 회전하지 않고 고정되는 것을 특징으로 하는 열전발전 혼용 와전류 제동시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자석부들은 영구자석 또는 전자석의 N극 및 S극인 것을 특징으로 하는 열전발전 혼용 와전류 제동시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 열전발전부는,
   상기 수냉관을 통과한 고온수가 통과하는 배관부;
   상기 배관부를 수납하는 수납공간을 형성하는 프레임부; 및
   상기 프레임부에 고정되며, 상기 배관부에 인접하도록 배치되는 복수의 열전소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 혼용 와전류 제동시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 열전발전부는,
   상기 프레임부의 상면 또는 하면으로부터 연장된 방열부를 더 포함하는 열전발전 혼용 와전류 제동시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 열전소자는 일면은 상기 배관부와 마주하고 타면은 상기 방열부와 마주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열전발전 혼용 와전류 제동시스템.
   

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