KR101886968B1 - 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쿨링이 가능한 에너지 수확 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 에너지 수확 장치는, 전자 장치에서 나오는 열을 쿨링하여 에너지 사용 효율을 높이고 전자 장치에서 나오는 전기장을 이용하여 손실된 에너지를 수확하기 위한 것으로, 작동유체가 흐를 수 있는 유로가 형성되어 있고, 전자 장치에서 나오는 열에 의해 상기 작동유체를 기화시키는 열흡수층; 상기 열흡수층과 간격을 두고 마주하는 위치에 배치되고, 상기 열흡수층의 유로와 소통 가능하게 연결되며, 기체 상태의 작동유체의 열을 방출시켜 액체 상태로 상변화시키는 열방출층; 상기 전자 장치에서 나오는 전기장의 신호를 상기 작동유체를 통해 전달 받아 출력을 발생시키는 전극층; 및 상기 열흡수층과 열방출층과 전극층을 폐쇄시키는 커버층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치{Energy harvesting apparatus enabling cooling}

본 발명은 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 장치에서 나오는 열의 쿨링이 가능하여 에너지 사용 효율을 높일 수 있고, 전기장 환경에서 손실된 에너지를 수확할 수 있도록, 구조가 개선된 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.

우리가 일생생활에서 흔히 사용하는 제품인 스마트폰, 노트북, 카메라 또는 그 제품을 구성하는 중앙처리장치, 그래픽 카드 등의 전자부품과 같은 전자 장치는, 전기에너지의 사용에 의해 열과 전기장이 생성된다.

이러한 전자 장치에서 발생하는 열은 에너지 사용 효율을 떨어뜨리는 가장 큰 요인이기 때문에, 그 열을 쿨링하여 주기 위한 수많은 기술들이 지속적으로 개발되고 있다.

상기 열을 쿨링하여 주기 위하여 냉각물질의 개선 등에 의한 화학적 방법이나 냉각핀 구조 변경과 같은 기계적 방법 기술들이 활발하게 개발되고 있으나, 이러한 쿨링 기술들은 좀 더 작은 사이즈로 간소한 구성을 가질 것이 요구된다.

또한, 전자 장치에서 발생하는 전기장에 의해 에너지 손실이 발생하게 되는데, 이러한 손실된 에너지를 재차 수확함으로써 에너지 사용 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적을 간소한 구성에 의해서도 전자 장치의 쿨링 및 손실된 에너지 수확을 효율적으로 수행할 수 있게 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전자 장치에서 나오는 열을 쿨링하여 에너지 사용 효율을 높이고 전자 장치에서 나오는 전기장을 이용하여 손실된 에너지를 수확하기 위한 것으로, 작동유체가 흐를 수 있는 유로가 형성되어 있고, 전자 장치에서 나오는 열에 의해 상기 작동유체를 기화시키는 열흡수층; 상기 열흡수층과 간격을 두고 마주하는 위치에 배치되고, 상기 열흡수층의 유로와 소통 가능하게 연결되며, 기체 상태의 작동유체의 열을 방출시켜 액체 상태로 상변화시키는 열방출층; 상기 전자 장치에서 나오는 전기장의 신호를 상기 작동유체를 통해 전달 받아 출력을 발생시키는 전극층; 및 상기 열흡수층과 열방출층과 전극층을 폐쇄시키는 커버층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 열흡수층과 열방출층 사이의 공간에 형성되는 부분으로, 상기 열흡수층에서 발생한 기체를 상기 열방출층에 전달시키는 스팀층;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 열흡수층과 열방출층은, 다공성 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 전극층은, 상기 커버층과 열방출층 사이에 그 열방출층을 감싸는 형태로 배치되는 것이 바람직하다.

상기 커버층은, 상기 열흡수층을 감싸는 부분을 비금속 재질로 형성하고, 열방출층을 감싸는 부분을 금속 재질로 형성하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치는, 열흡수층과 열방출층에 의해 열교환 사이클을 형성시킴으로써 간소한 구성에 의해서도 전자 장치에서 나오는 열의 쿨링을 가능하게 함은 물론, 열흡수층과 열방출층을 순환하는 작동유체를 통해, 전자 장치에서 나오는 교류 신호를 전달 받아, 전극층을 통해 출력시킬 수 있도록 구성됨으로써, 전기장 내에서 손실되는 에너지 수확을 가능하게 하여, 결국 전자 장치에서 나오는 열의 쿨링과 에너지 재수확을 통해 에너지 사용 효율을 극대화시킬 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치는, 전자 장치(A)에서 나오는 열을 쿨링하여 에너지 사용 효율을 높이고 전자 장치(A)에서 나오는 전기장을 이용하여 손실된 에너지를 수확하기 위한 것으로, 열흡수층(12)과 열방출층(14)과 전극층(16)과 커버층(18)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 전자 장치(A)는, 일생생활에서 흔히 사용하는 제품인 스마트폰, 노트북, 카메라 등의 완제품 뿐만 아니라 그 완제품을 구성하는 중앙처리장치, 그래픽 카드 등의 전자부품과 같이, 전기 에너지를 사용하는 모든 장치를 의미한다.

본 실시예에 채용된 열흡수층(12)과 열방출층(14)은, 예컨대, 냉동 사이클의 증발과 응축의 원리로 대상체를 냉각시켜 주기 위한 것으로, 다양한 구조로 구현될 수 있다공성 구조로 이루어져서 효과적인 증발과 응축 기능 구현을 가능하게 한다.

상기 열흡수층(12)은, 작동유체가 흐를 수 있는 유로가 형성되어 있고, 전자 장치(A)에서 나오는 열에 의해 상기 작동유체를 기화시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 작동유체는 열의 냉각을 가능하게 하는 냉매의 역할을 함과 동시에, 전기장 내에서 손실된 에너지 수확이 원활하도록 유전분극이 가능한 유체인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 열흡수층(12)의 유로는, 상기 작동유체가 흐를 수 있는 구조를 총칭하는 의미로서, 특정한 형태에 국한되지 않는다. 예컨대, 상기 열흡수층(12)이 다공성 구조로 구현되는 실시예의 경우, 상기 유로는 다공성 구조를 형성시키는 공극일 수 있음은 물론이다.

상기 열방출층(14)은, 상기 열흡수층(12)과 대비되는 기능을 발휘하는 것으로, 상기 열흡수층(12)과 간격을 두고 마주하는 위치에 배치되고, 상기 열흡수층(12)의 유로와 소통 가능하게 연결되며, 기체 상태의 작동유체의 열을 방출시켜 액체 상태로 상변화시키는 역할을 한다.

이러한 열방출층(14)의 상변화의 원활함을 위해 다양한 상변화수단이 채용될 수 있음은 물론이나, 예컨대, 상기 열흡수층(12)과 열방출층(14)이 다공성 구조로 이루어지는 경우에는 그 열흡수층(12)의 공극의 크기보다 더 큰 공극의 크기를 갖도록 구현되는 것이 바람직하다.

이러한 열흡수층(12)과 열방출층(14)을 포함하여 이루어지는 본 실시예는, 전자 장치(A)에서 방출되는 열을 열흡수층(12)의 작동유체가 흡수하여 기화되게 하고, 그 기화된 작동유체를 상기 열방출층(14)에서 방열시켜 액상으로 변화되게 함으로써 전자 장치(A)의 쿨링을 가능하게 한다.

그리고, 본 실시예는, 상기 열흡수층(12)과 열방출층(14) 간의 작동유체의 흐름을, 유체의 강제 펌핑이나 강제 순환 장치에 의존하지 않고, 열흡수층(12)에 존재하는 기체상의 유체와 열방출층(14)에 존재하는 액상의 유체 간의 표면장력을 통해 자연 순환되게 함으로써, 간소한 구성에 의해 열교환 사이클의 형성을 가능하게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

본 실시예는, 이러한 장점을 도출하는 열흡수층(12)과 열방출층(14)으로 이루어진 구성에, 전극층(16)이 유기적으로 결합됨으로써, 전기장 내에서 손실된 에너지를 수확할 수 있게 한다.

즉, 본 실시예에 채용된 전극층(16)은, 상기 전자 장치(A)에서 나오는 전기장의 신호를 상기 작동유체를 통해 전달 받아 출력을 발생시킴으로써, 상기 전기장 내에서 손실된 에너지의 재수확을 가능하게 한다.

여기서, 상기 전극층(16)에 의한 에너지 수확 원리를 설명하면, 다음과 같다.

상기 전자 장치(A)가 작동하게 되면, 일정 수준의 전기장 및 전자파가 발생하게 되고, 이 과정에서 전자 장치(A)의 작동에 연관되지 않은 물질들(제품 케이스, 전선 피복, 전자제품 주변물질 등)중 외부 전기장에 취약한 물질들은 전기장에 영향을 받아 극화된다.

외부 전기장에 쉽게 영향을 받아 극화되는 물질들에 의하여 에너지 손실층이 발생하게 된다. 우선, 전자 장치(A)가 교류 출력 기반인 경우, 전기장 및 전자파의 부호가 지속적으로 바뀌게 되고, 이 때, 극화되는 물질 내부의 극화 방향이 지속적으로 바뀌게 됨에 따라, 이 물질들에 의하여 유전 손실에 의한 열, 진동 등의 에너지 손실이 발생하게 된다.

이와 같이 손실된 에너지를 수확하기 위하여, 본 실시예에서는 상기 작동유체를 강유전성 물질(ex. 물, 극성분자)로 구성하고, 상기 작동유체가 액상으로 함유된 열방출층(14)과 최대한 인접한 위치에 상기 전극층(16)을 구성함으로써, 물질의 극화로 인한 에너지 손실층에서 발생하는 에너지를 상기 작동유체를 통해 전극층(16) 측으로 전달시킨다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 작동유체를 함유한 열방출층(14)과 그 열방출층(14)과 인접한 위치에 배치되는 전극층(16)을 포함하여 이루어져서, 상기 강유전성 물질로 이루어진 작동유체에 형성된 극성 배열의 방향이 양 (+)에서 음 (-)으로 지속적으로 바뀌고, 상기 전극층(16) 역시 이에 상응하는 교류 출력을 발생시킬 수 있도록 구성됨에 따라, 결국 상기 전극층(16)에서 발생된 전기에너지를 수확함으로써 에너지 하베스팅을 구현할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치는, 열흡수층(12)과 열방출층(14)에 의해 열교환 사이클을 형성시킴으로써 간소한 구성에 의해서도 전자 장치(A)에서 나오는 열의 쿨링을 가능하게 함은 물론, 열흡수층(12)과 열방출층(14)을 순환하는 작동유체를 통해, 전자 장치(A)에서 나오는 교류 신호를 전달 받아, 전극층(16)을 통해 출력시킬 수 있도록 구성됨으로써, 전기장 내에서 손실되는 에너지 수확을 가능하게 하여, 결국 전자 장치(A)에서 나오는 열의 쿨링과 에너지 재수확을 통해 에너지 사용 효율을 극대화시킬 수 있는 장점을 도출한다.

한편, 상기 작동유체로는 물과 같이 분극역전이 잘 일어나는 극성유체가 사용될 수 있음은 물론이나, 전자 장치(A)의 작동온도영역인 40~80℃ 범위에서 기화가 발생하는 액체인 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시예는, 상기 열흡수층(12)과 열방출층(14) 사이에 형성된 스팀층(15)을 포함하여 이루어져서, 상기 열흡수층(12)에서 발생한 기체를 상기 열방출층(14)에 원활하게 전달시킬 수 있는 장점을 가진다.

또한, 상기 열흡수층(12)과 열방출층(14)은, 증발과 응축 기능 구현이 원활하도록, 다공성 구조로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 열흡수층(12)의 공극이 열방출층(14)보다 더 작게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전극층(16)은, 상기 열방출층(14)과 최대한 가깝게 배치될 수 있도록, 그 열방출층(14)을 감싸는 형태로 배치되는 것이 바람직하고, 상기 커버층(18)은, 상기 열흡수층(12)과 열방출층(14)과 전극층(16)을 폐쇄시키는 역할을 한다.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 실시예와 대부분의 구성이 동일하나, 전극층에 있어서 차이점이 있다.

즉, 본 실시예에 채용된 전극층(26)은, 상기 커버층과 열방출층(24) 사이에 배치되는 제1전극층(26a)과, 상기 커버층과 열흡수층(22) 사이에 배치되는 제2전극층(26b)을 포함하여 이루어져서, 열흡수층(22)을 유동하는 작동유체를 통한 에너지 수확과 열방출층(24)을 유동하는 작동유체를 통한 에너지 수확을 동시에 이룰 수 있게 하는 장점을 도출한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 실시예들과는 달리, 열흡수층(32)의 일부 영역과 열방출층(34)의 일부 영역에만 전극층(36a)(36b)이 형성되도록 구성되었다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예에 의하면, 상기 열흡수층(32)의 일부 영역에만 제1전극층(36a)이 배치되게 하여, 상기 전자 장치의 전기장 내에서 송출되는 교류 신호를 그 제1전극층(36a)에 의해 차단시키는 것을 최대한 억제시킬 수 있고, 상기 열방출층(34)의 일부 영역에만 제2전극층(36b)이 배치되게 하여, 그 제2전극층(36b)에 의해 열방출 효율이 떨어지는 것을 억제시킬 수 있는 장점이 기대된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

본 실시예에 채용된 전극층은, 열흡수층(42)의 일부 영역에 간격을 두고 배열되는 복수의 제1전극층(46a)들과 열방출층(44) 전체를 감싸는 형태로 배치되는 제2전극층(46b)을 포함하여 이루어진다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 커버층이 하나의 재질에 의해 일체로 형성되는 것과는 달리, 열흡수층(52)을 감싸는 제1커버층(58a)과 열방출층(54)을 감싸는 제2커버층(58b)이 서로 다른 재질에 의해 형성된다.

즉, 상기 제1커버층(58a)은, 전자파 차단을 최소화하기 위하여 비금속 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 제2커버층(58b)은, 열방출 효율을 높이기 위해 열전도도가 높은 금속 재질(Cu, Al, Fe 등)로 형성되는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

본 실시예는, 도 5에 도시된 실시예와 마찬가지로, 커버층(68)이 비금속 재질로 이루어진 제1커버층(68a)과 금속 재질로 이루어진 제2커버층(68b)으로 이루어진 구성에 있어서 유사하나, 금속 재질로 형성된 제2커버층(68b)이 전극층을 대체할 수 있도록 구성된 점에서 앞에서 설명한 실시예들과 차이점이 있다.

이러한 실시예에 의하면, 구성을 더욱 간소화시킬 수 있게 됨에 따라 제품의 원가경쟁력을 향상시킬 수 있는 장점이 기대된다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

12:열흡수층 14:열방출층
15:스팀층 16:전극층
18:커버층 A:전자 장치

Claims (8)

1. 전자 장치에서 나오는 열을 쿨링하여 에너지 사용 효율을 높이고 전자 장치에서 나오는 전기장을 이용하여 손실된 에너지를 수확하기 위한 것으로,
   작동유체가 흐를 수 있는 유로가 형성되어 있고, 전자 장치에서 나오는 열에 의해 상기 작동유체를 기화시키는 열흡수층;
   상기 열흡수층과 간격을 두고 마주하는 위치에 배치되고, 상기 열흡수층의 유로와 소통 가능하게 연결되며, 기체 상태의 작동유체의 열을 방출시켜 액체 상태로 상변화시키는 열방출층;
   상기 전자 장치에서 나오는 전기장의 신호를 상기 작동유체를 통해 전달 받아 출력을 발생시키는 전극층; 및
   상기 열흡수층과 열방출층과 전극층을 폐쇄시키는 커버층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열흡수층과 열방출층 사이의 공간에 형성되는 부분으로, 상기 열흡수층에서 발생한 기체를 상기 열방출층에 전달시키는 스팀층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열흡수층과 열방출층은, 다공성 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극층은, 상기 커버층과 열방출층 사이에 그 열방출층을 감싸는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전극층은, 상기 커버층과 열방출층 사이에 배치되는 제1전극층과, 상기 커버층과 열흡수층 사이에 배치되는 제2전극층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2전극층은, 그 제2전극층에 의한 전기장 차폐를 억제시킬 수 있도록, 상기 커버층과 열흡수층 사이의 영역에서 일부 영역에만 배치되는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 커버층은, 상기 열흡수층을 감싸는 부분을 비금속 재질로 형성하고, 열방출층을 감싸는 부분을 금속 재질로 형성하는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 커버층의 금속 재질 부분과 전극층을 일체로 형성시키는 것을 특징으로 하는 쿨링이 가능한 에너지 하베스팅 장치.

Images