KR101932854B1 - Apparatus and method for energy harvesting - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에너지 하베스팅 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting apparatus and method.
최근, 마이크로 센서(micro sensor), 마이크로 로봇(micro robot), 이식형 의료기기(implantable medical device) 등과 같은 소형 무선기기의 기술 발전과 더불어 이 소형 무선기기를 위한 전원 공급 장치의 개발의 중요성이 대두되고 있다.In recent years, with the development of small radio devices such as micro sensors, micro robots, implantable medical devices, etc., the importance of developing a power supply for these small radio devices has increased .
소형 무선기기 중 이식형 의료기기의 경우, 종래에는 주로 화학 배터리(chemical battery)가 전원으로 이용되어왔다. 하지만, 화학 배터리는 비대한 사이즈, 제한된 수명, 화학적 부작용 등으로 이식형 의료기기의 기능적 제한을 가져왔다. 특히, 화학 배터리는 제한된 수명으로 인하여, 이식형 의료기기를 사용하는 환자들이 체내에 삽입된 이식형 의료기기의 배터리를 교체하기 위한 외과 수술을 일정 주기마다 받아야 하는 문제점이 있었다.In the case of implantable medical devices among small radio devices, a chemical battery has been mainly used as a power source in the past. However, chemical batteries have resulted in functional limitations in implantable medical devices due to their size, limited lifetime, and chemical side effects. Particularly, due to the limited lifespan of chemical batteries, patients using implantable medical devices have had to undergo surgical interventions at regular intervals to replace batteries in implantable medical devices inserted into the body.
이에 따라, 종래의 화학 배터리를 대체할 수 있는 전원 공급 기술로서, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 주목받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 주변의 버려지는 에너지 자원을 수확하고, 수확한 에너지를 축적하며, 이를 필요한 시점에 이용하는 전원 공급 기술이다.Accordingly, energy harvesting technology has attracted attention as a power supply technology that can replace conventional chemical batteries. Energy harvesting technology is a power supply technology that harvests abandoned energy resources, accumulates harvested energy, and utilizes them when needed.
태양열, 기계적 에너지, 온도구배, 유체의 흐름, 음향, 전자기 등의 다양한 에너지 자원을 수확하는 에너지 하베스팅 기술이 제안되어 왔다. 다양한 에너지 자원 중 음향 에너지 자원은 다른 에너지 자원들에 비하여 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 지녔으나, 지속 가능한 청정 에너지원이고, 우리의 실생활에서 광범위하게 이용 가능하다는 장점으로 인하여 이를 수확하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다.Energy harvesting techniques have been proposed for harvesting various energy sources such as solar heat, mechanical energy, temperature gradient, fluid flow, acoustics, and electromagnetic energy. Among the various energy resources, acoustic energy resources have a relatively low energy density compared to other energy resources, but they are a sustainable clean energy source and are widely available in our daily lives. come.
본 발명은 이식형 의료기기(implantable medical device)의 전원 공급 장치로서, 음파에 의하여 진동하는 미세버블(micro bubble)을 이용하여 음향 에너지로부터 전기 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting apparatus and method for harvesting electric energy from acoustic energy by using a micro bubble vibrating by a sound wave, as a power supply device for an implantable medical device will be.
본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 하베스팅 장치가 개시된다.According to an aspect of the present invention, an energy harvesting apparatus is disclosed.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 수용액을 포함하는 용기 내에 위치하며, 충격이 가해지면 압전 효과에 의하여 전기 에너지를 생성하는 압전소자 및 상기 용기 내에 위치하며, 음파에 의하여 진동하는 미세버블(micro bubble)이 유발하는 마이크로 스트리밍(microstreaming)을 추진력으로 회전하여 상기 충격을 가하는 회전체를 포함한다.An energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric element which is located in a vessel containing an aqueous solution and which generates electric energy by a piezoelectric effect when an impact is applied and a piezoelectric element which is located in the vessel, And a rotating body for rotating the microstreaming caused by the micro bubble to propel the impact.
상기 에너지 하베스팅 장치는 이식형 의료기기(implantable medical device)의 전원 공급 장치이다.The energy harvesting device is a power supply for an implantable medical device.
상기 이식형 의료기기가 사람의 체내에 삽입되었을 때, 전압이 인가된 피에조액츄에이터(Piezoactuator)가 외부에서 상기 음파를 발생하되, 상기 음파는 상기 미세버블의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가진다.When the implantable medical device is inserted into a human body, a piezo actuator applied with a voltage generates the sound wave from the outside, and the sound wave has the same frequency as the resonance frequency of the fine bubble.
상기 압전소자는 상기 충격에 의하여 기계적인 변형이 발생하면, 상기 전기 에너지를 생성하는 피에조캔틸레버(Piezocantilever)이다.The piezoelectric element is a piezo cantilever that generates the electrical energy when mechanical deformation occurs due to the impact.
상기 회전체는, 중심축, 톱니 바퀴 형태로 형성되며, 중심에 상기 중심축이 관통 결합되는 축공이 형성되어 상기 중심축을 중심으로 회전하는 회전자 및 일단이 폐쇄되고, 타단이 개방된 형태로 형성되며, 내부에 상기 미세버블이 충진되고, 상기 회전자의 외주부에 개방부가 외측을 향하도록 결합되는 적어도 하나의 마이크로 튜브를 포함한다.The rotating body is formed in the form of a central shaft and a toothed wheel. The rotor has a shaft hole formed at the center thereof and through which the central shaft is inserted, the rotating shaft being rotatable about the central shaft. And at least one micro-tube filled with the fine bubbles therein and coupled to the outer periphery of the rotor such that the open portion is directed outward.
상기 미세버블이 상기 음파의 의하여 수축 및 팽창을 반복하여 진동하면, 상기 미세버블과 상기 수용액의 물성 차이로 인하여 상기 진동에 의하여 상기 미세버블 주변에 상기 마이크로 스트리밍이 발생하여 상기 개방부를 통해 분출됨으로써, 상기 회전자의 회전을 위한 추진력이 제공된다.When the micro bubbles repeatedly shrink and expand due to the sound waves, the micro-streaming occurs around the micro bubbles due to the difference in physical properties between the micro bubbles and the aqueous solution, and is ejected through the open part, Propulsion for rotation of the rotor is provided.
상기 압전소자 및 상기 회전체는 상기 압전소자의 일단부와 상기 회전자의 외주부가 오버랩되도록 배치됨으로써, 상기 회전하는 회전자가 상기 압전소자에 상기 충격을 가한다.The piezoelectric element and the rotating body are arranged so that one end of the piezoelectric element and the outer periphery of the rotor overlap with each other, so that the rotating rotor applies the impact to the piezoelectric element.
상기 마이크로 튜브의 내부에는 소수성막(hydrophobic layer)이 형성되되, 상기 미세버블은 상기 소수성막의 작용으로, 상기 마이크로 튜브 내부에 안착되어 상기 수용액에 의하여 침수되지 않고 상기 마이크로 튜브 형태를 유지하면서 진동한다.A hydrophobic layer is formed inside the microtubes. The micro bubbles are placed inside the microtubes due to the action of the hydrophobic films, and are vibrated while maintaining the microtubes in the form of microtubes without being submerged by the aqueous solution .
상기 압전소자와 연결되며, 상기 생성된 전기 에너지를 정류하여 축적하는 정류 회로를 더 포함한다.And a rectifying circuit connected to the piezoelectric element and rectifying and storing the generated electric energy.
상기 정류 회로는 상기 압전소자에 의하여 생성된 교류 형태의 전기 에너지를 직류 형태로 변환하여 캐패시터(Capacitor)에 축적한다.The rectifier circuit converts the alternating current electric energy generated by the piezoelectric element into a direct current (DC) form and stores the converted direct current in a capacitor.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수용액을 포함하는 용기 내에서, 압전소자에 충격을 가하는 회전체가 개시된다.According to another aspect of the present invention, there is disclosed a rotator for applying an impact to a piezoelectric element in a vessel containing an aqueous solution.
본 발명의 실시예에 따른 회전체는, 중심축, 톱니 바퀴 형태로 형성되며, 중심에 상기 중심축이 관통 결합되는 축공이 형성되어 상기 중심축을 중심으로 회전하는 회전자 및 일단이 폐쇄되고, 타단이 개방된 형태로 형성되며, 내부에 미세버블(micro bubble)이 충진되고, 상기 회전자의 외주부에 개방부가 외측을 향하도록 결합되는 적어도 하나의 마이크로 튜브를 포함한다.A rotating body according to an embodiment of the present invention is formed in the shape of a central shaft and a toothed wheel and has a shaft hole formed at a center thereof through which the shaft shaft is coupled so that the rotor rotates about the central shaft, And at least one micro tube which is formed in an open form and filled with micro bubbles therein and which is coupled to the outer periphery of the rotor so as to face the open part.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치 및 방법은, 음파에 의하여 진동하는 미세버블(micro bubble)을 이용하여 음향 에너지로부터 전기 에너지를 수확함으로써, 이식형 의료기기(implantable medical device)의 전원 공급 장치로 적용될 수 있다.An energy harvesting apparatus and method according to an embodiment of the present invention harvests electric energy from acoustic energy using a micro bubble that is vibrated by a sound wave to generate a power supply of an implantable medical device Device. ≪ / RTI >
또한, 청정하고 지속 가능한 음향 에너지를 이용함으로써, 소형 센서나 소형 전자기기의 구동 동력원으로 사용되는 기존 화학 배터리를 대체할 수 있으며, 전원을 무선으로 전달 및 충전시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, by using clean and sustainable acoustic energy, it is possible to replace an existing chemical battery used as a driving power source of a small sensor or a small electronic device, and it is possible to transmit and charge the power wirelessly.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 회전체의 분해도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미세버블(micro bubble)의 구동 개념을 나타낸 도면.
도 4는 미세버블의 진동에 따라 발생된 마이크로 스트리밍(microstreaming)을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 전기 에너지 수확 개념을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구동 모습을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정류 회로를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 정류 회로를 이용하여 축적된 전기 에너지를 측정한 실험 결과 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 방법을 나타낸 흐름도.1 illustrates a structure of an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded view of a rotating body of an energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a driving concept of a micro bubble according to an embodiment of the present invention.
Fig. 4 is a diagram showing microstreaming caused by vibration of a fine bubble. Fig.
5 is a view showing an electric energy harvesting concept of an energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a view illustrating a driving state of an energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 shows a rectifying circuit according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph of an experimental result obtained by measuring the accumulated electric energy using a rectifier circuit according to an embodiment of the present invention.
9 is a flow diagram illustrating an energy harvesting method in accordance with an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprising ", or" comprising "and the like should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps. Also, the terms "part," " module, "and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software .
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 회전체의 분해도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미세버블(micro bubble)의 구동 개념을 나타낸 도면이고, 도 4는 미세버블의 진동에 따라 발생된 마이크로 스트리밍(microstreaming)을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 전기 에너지 수확 개념을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구동 모습을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정류 회로를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 정류 회로를 이용하여 축적된 전기 에너지를 측정한 실험 결과 그래프이다.FIG. 1 is a view showing a structure of an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded view of a rotating body of an energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. FIG. 4 is a view showing a microstreaming generated according to a vibration of a fine bubble, and FIG. 5 is a view showing a microbubble generated according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a view illustrating a driving state of an energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 is a diagram illustrating a rectifying circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 8 is a graph of an experimental result obtained by measuring the accumulated electric energy using the rectifying circuit according to the embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 하베스팅 장치(100) 및 피에조액츄에이터(Piezoactuator)(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention includes an
여기서, 에너지 하베스팅 장치(100)는 충격이 가해지면 압전 효과에 의하여 전기 에너지를 생성하는 피에조캔틸레버(Piezocantilever)(110) 및 음파에 의하여 진동하는 미세버블(micro bubble)이 유발하는 마이크로 스트리밍(microstreaming)을 추진력으로 회전하여 피에조캔틸레버(110)에 충격을 가하는 회전체(120)를 포함하여 구성된다. 이때, 회전체(120)는 마이크로 스트리밍의 발생을 위하여 수용액(Aqueous medium)을 포함하는 용기 내에 위치하며, 이에 따라 피에조캔틸레버(110)도 회전체(120)와 함께 수용액을 포함하는 용기 내에 위치한다.Here, the
그리고, 피에조액츄에이터(200)는 전압의 인가에 따라 미세버블을 진동시키는 음파를 발생시킨다. 즉, 피에조액츄에이터(200)는 미세버블의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 음파를 발생시킬 수 있다.Then, the
예를 들어, 에너지 하베스팅 장치(100)는 이식형 의료기기(implantable medical device)의 전원 공급 장치로 적용될 수 있다. 그래서, 이식형 의료기기가 사람의 체내에 삽입되었을 때, 피에조액츄에이터(200)가 외부에서 음파를 발생시켜 음파가 체내의 에너지 하베스팅 장치(100)로 전달됨으로써, 에너지 하베스팅 장치(100)는 피에조액츄에이터(200)가 발생시킨 음파로부터 전기 에너지를 생성하여 수확할 수 있다.For example, the
피에조캔틸레버(110)는 압전 효과에 의하여 전기 에너지를 생성하기 위한 압전소자이다. 여기서, 압전 효과는 압전소자에 기계적인 압력이 가해지면 전기 에너지가 발생되고, 압전소자에 전기 에너지가 가해지면 기계적인 변형이 생기는 현상이다. 즉, 피에조캔틸레버(110)는 회전체(120)에 의하여 충격이 가해져 기계적인 변형(굽힘)이 발생하면, 전기 에너지를 생성한다.The
한편, 회전체(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중심축(121), 부싱(bushing)(122), 제1 회전자(123), 제2 회전자(124), 지지부(125) 및 마이크로 튜브(micro tube)(126)를 포함하여 구성될 수 있다.2, the rotating
도 2를 참조하면, 제1 회전자(123) 및 제2 회전자(124)는 톱니 바퀴 형태로 형성될 수 있으며, 중심에는 부싱(122)이 결합된 중심축(121)이 관통 결합되는 축공이 형성된다. 여기서, 중심축(121)은 지지부(125)에 의하여 지지된다. 그래서, 제1 회전자(123) 및 제2 회전자(124)는 중심축(121)을 중심으로 회전할 수 있다.Referring to FIG. 2, the
그리고, 마이크로 튜브(126)는 일단이 폐쇄되고, 타단이 개방된 형태로 형성되며, 내부에 미세버블이 충진된다. 마이크로 튜브(126)의 내부에는 미세버블의 안정적인 생성 및 구동을 위하여 소수성막(hydrophobic layer)이 형성될 수 있다. 즉, 소수성막의 작용으로, 미세버블이 마이크로 튜브(126) 내부에 안정적으로 안착되어, 수용액에 의하여 침수되지 않고, 마이크로 튜브(126)의 형태를 유지하면서 안정적으로 진동할 수 있다.The
또한, 마이크로 튜브(126)는 제1 회전자(123)와 제2 회전자(124) 사이에서, 제1 회전자(123) 및 제2 회전자(124)의 외주부에 개방부가 외측을 향하도록 결합될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 튜브(126)는 제1 회전자(123) 및 제2 회전자(124)의 외주부의 복수의 지점 각각에 한 쌍씩 배치되어 결합될 수 있다.The
그래서, 미세버블의 진동에 의하여 유발된 마이크로 스트리밍이 마이크로 튜브(126)의 개방부를 통해 분출됨으로써, 마이크로 튜브(126)는 제1 회전자(123) 및 제2 회전자(124)의 회전을 위한 추진력을 제공할 수 있다. The
이와 같이 회전하는 제1 회전자(123) 및 제2 회전자(124)는 피에조캔틸레버(110)에 충격을 가할 수 있다. 이를 위하여, 피에조캔틸레버(110)의 일단부와 제1 회전자(123) 또는 제2 회전자(124)의 외주부가 오버랩되도록 피에조캔틸레버(110)와 회전체(120)가 배치될 수 있다.The
도 2에 도시된 회전체(120)는 한 쌍의 회전자(123, 124)와 다수의 마이크로 튜브(126)가 적용되었으나, 이는 일 예에 불과하며, 구현하기에 따라 회전자(123, 124)와 마이크로 튜브(126)의 개수가 달라질 수 있다.2, a pair of
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미세버블의 구동 개념을 나타낸 도면이다.3 is a view illustrating a concept of driving a fine bubble according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 튜브(126)가 수용액(Aqueous medium)이 담긴 용기에 입수된 상태에서 피에조액츄에이터(200)에 전압이 인가되면, 마이크로 튜브(126)에 충진된 미세버블은 피에조액츄에이터(200)에 의하여 발생된 음파에 의하여 수축 및 팽창을 반복하여 진동하게 된다. 그리고, 미세버블이 진동하면, 계면을 이루는 미세버블과 수용액의 물성 차이로 인하여 미세버블 주변에 마이크로 스트리밍이 발생하여 마이크로 튜브(126)의 개방부를 통해 분출된다.3, when a voltage is applied to the
마이크로 튜브(126)가 수용액이 담긴 용기에 입수될 때, 소수성막으로 인하여 마이크로 튜브(126) 내부는 침수되지 않고, 마이크로 튜브(126) 내부에 충진된 미세버블은 마이크로 튜브(126) 형태를 유지할 수 있다.When the
도 4에 미세버블의 진동에 따라 발생된 마이크로 스트리밍이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 피에조액츄에이터(200)에 전압이 인가되면, 미세버블의 진동에 따라 마이크로 스트리밍이 유발되어 마이크로 튜브(126)로부터 분출될 수 있다. 마이크로 튜브(126)로부터 분출되는 마이크로 스트리밍은 전술한 바와 같이, 회전체(120)의 회전을 위한 추진력으로 이용된다.FIG. 4 shows the micro-streaming caused by the vibration of the fine bubbles. As shown in FIG. 4, when a voltage is applied to the
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 전기 에너지 수확 개념을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a view showing an electric energy harvesting concept of an energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 피에조액츄에이터(200)에 전압이 인가되면, 피에조액츄에이터(200)에 의하여 발생된 음파에 의한 미세버블의 진동에 따라 마이크로 스트리밍이 유발되어 마이크로 튜브(126)로부터 분출된다. 분출된 마이크로 스트리밍을 추진력으로 회전자(123, 124)는 회전하게 되고, 회전하면서 피에조캔틸레버(110)에 충격을 가하게 된다. 충격이 가해진 피에조캔틸레버(110)는 기계적인 변형이 발생하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.5, when a voltage is applied to the
도 6에 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)의 구동 모습이 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 피에조액츄에이터(200)에 전압이 인가되면, 피에조액츄에이터(200)에 의하여 발생된 음파에 의한 미세버블의 진동으로 회전자(123, 124)는 회전하게 되며, 이에 따라, 회전자(123, 124)가 피에조캔틸레버(110)에 충격을 가하게 된다.FIG. 6 shows a driving view of an
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는 피에조캔틸레버(110)가 생성한 전기 에너지를 정류하여 축적하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다. 정류 회로는 피에조캔틸레버(110)에 연결될 수 있다.The
도 7에 본 발명의 실시예에 따른 정류 회로가 도시되어 있다. 그리고, 도 7에 도시된 정류 회로를 이용하여 축적된 전기 에너지를 측정한 실험 결과 그래프가 도 8에 도시되어 있다.Fig. 7 shows a rectifying circuit according to the embodiment of the present invention. FIG. 8 shows a graph of an experimental result obtained by measuring the accumulated electric energy using the rectifier circuit shown in FIG.
피에조캔틸레버(110)에 의하여 생성된 교류 형태의 전기 에너지는 도 7에 도시된 정류 회로를 통해 직류 형태로 변환되어 캐패시터(Capacitor)에 축적될 수 있다. 피에조캔틸레버(110)에 의하여 생성된 전기 에너지가 축적되는 0.1㎌ 캐패시터 및 1㎌ 캐패시터 각각의 시간에 따른 전압 크기는 도 8에 도시된 바와 같이 측정될 수 있다.The electric energy of the AC type generated by the
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 방법을 나타낸 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating an energy harvesting method according to an embodiment of the present invention.
S910 단계에서, 피에조액츄에이터(200)에 전압이 인가된다.In step S910, the
S920 단계에서, 전압이 인가된 피에조액츄에이터(200)는 미세버블의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 음파를 발생시킨다.In step S920, the
S930 단계에서, 피에조액츄에이터(200)에 의하여 발생된 음파에 의하여 미세버블이 진동하고, 미세버블 진동에 의하여 마이크로 스트리밍이 발생하여 마이크로 튜브(126)의 개방부를 통해 분출된다.In step S930, microbubbles are vibrated by sound waves generated by the
S940 단계에서, 마이크로 튜브(126)의 개방부를 통해 분출되는 마이크로 스트리밍을 추진력으로 회전체(120)가 회전하여 피에조캔틸레버(110)에 충격을 가함으로써, 피에조캔틸레버(110)에 의하여 전기 에너지가 생성된다.In step S940, the
S950 단계에서, 생성된 전기 에너지는 피에조캔틸레버(110)에 연결된 정류 회로에 의하여 수확된다.In step S950, the generated electric energy is harvested by the rectifying circuit connected to the
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Should be regarded as belonging to the following claims.
100: 에너지 하베스팅 장치
110: 피에조캔틸레버(Piezocantilever)
120: 회전체
121: 중심축
122: 부싱(bushing)
123: 제1 회전자
124: 제2 회전자
125: 지지부
126: 마이크로 튜브(micro tube)
200: 피에조액츄에이터(Piezoactuator)100: energy harvesting device
110: Piezo cantilever (Piezocantilever)
120: rotating body
121: center axis
122: bushing
123: 1st electron
124: 2nd electron
125: Support
126: micro tube
200: Piezoactuator
Claims (11)
음파를 발생시키며, 사람의 체외에 위치하는 피에조 액츄에이터;
상기 사람의 체내에 삽입되는 수용액이 담긴 용기 내에 위치하며, 충격에 의하여 기계적인 변형이 발생하면 압전 효과에 의하여 전기 에너지를 생성하는 피에조캔틸레버; 및
상기 용기 내에 위치하며, 상기 음파에 의하여 진동하는 미세버블이 유발하는 마이크로스트리밍을 추진력으로 회전하여 상기 충격을 가하는 회전체;
상기 압전소자에 의하여 생성된 교류 형태의 전기 에너지를 직류 형태로 변환하여 캐패시터에 축적하는 정류 회로;를 포함하되,
상기 음파는 상기 미세버블의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지고,
상기 회전체는, 중심축; 톱니 바퀴 형태로 형성되며, 중심에 상기 중심축이 관통 결합되는 축공이 형성되어 상기 중심축을 중심으로 회전하는 제1 회전자 및 제2 회전자; 상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자 사이에서 결합되되, 일단이 폐쇄되고 타단이 개방된 형태로 형성되며, 내부에 상기 미세버블이 충진되고, 상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자의 외주부에 개방부가 외측을 향하도록 결합되는 적어도 하나의 마이크로 튜브;를 포함하고,
상기 미세버블이 상기 음파의 의하여 수축 및 팽창을 반복하여 진동하면, 상기 미세버블과 상기 수용액의 물성 차이로 인하여 상기 진동에 의하여 상기 미세버블 주변에 상기 마이크로 스트리밍이 발생하여 상기 개방부를 통해 분출됨으로써, 상기 회전자의 회전을 위한 추진력이 제공되고,
상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자 중 적어도 하나의 외주부에 상기 피에조캔틸레버의 일단부가 오버랩되도록 배치됨으로써, 상기 회전하는 회전자가 상기 피에조캔틸레버에 상기 충격을 가하여 상기 전기 에너지가 생성되며,
상기 에너지 하베스팅 장치를 포함하는 상기 이식형 의료기기가 사람의 체내에 삽입되는 경우, 상기 피에조 액츄에이터는 사람의 체외에서 상기 음파를 발생하며, 상기 발생된 음파에 의해 상기 피에조캔틸레버 및 상기 회전체가 상기 전기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
What is claimed is: 1. An energy harvesting apparatus used as a power supply for an implantable medical device,
A piezoelectric actuator which generates a sound wave and is located outside the human body;
A piezo cantilever which is located in a container containing an aqueous solution inserted into the human body and generates electrical energy by a piezoelectric effect when mechanical deformation occurs due to impact; And
A rotating body positioned in the vessel and rotating the micro-streaming caused by the micro bubbles caused by the sound waves to propel the impact;
And a rectifying circuit for converting the alternating current electric energy generated by the piezoelectric element into a direct current and accumulating it in a capacitor,
Wherein the sound wave has the same frequency as the resonance frequency of the fine bubble,
The rotating body has a central axis; A first rotor and a second rotor which are formed in the form of a gear wheel and have a shaft hole through which the center shaft is coupled to the center so as to rotate about the central axis; Wherein the second rotor is coupled between the first rotor and the second rotor, the one end of the first rotor being closed and the other end thereof being opened, the fine bubble being filled in the first rotor, And at least one microtube coupled to the outer peripheral portion such that the opening portion is directed outward,
When the micro bubbles repeatedly shrink and expand due to the sound waves, the micro-streaming occurs around the micro bubbles due to the difference in physical properties between the micro bubbles and the aqueous solution, and is ejected through the open part, A thrust for rotation of the rotor is provided,
Wherein at least one of the first rotor and the second rotor is disposed so that one end of the piezo cantilever overlaps with the outer periphery of the first rotor and the second rotor so that the rotating rotor applies the impact to the piezo cantilever,
Wherein when the implantable medical device including the energy harvesting device is inserted into a human body, the piezoactuator generates the sound wave outside the human body, and the generated sound waves cause the piezo cantilever and the rotator to move And generates the electric energy.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170085026A KR101932854B1 (en) | 2017-07-04 | 2017-07-04 | Apparatus and method for energy harvesting |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112522098A (en) * | 2020-11-27 | 2021-03-19 | 北京理工大学 | Multifunctional micro-operation device and method driven by sound waves and micro-bubbles |
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2017
- 2017-07-04 KR KR1020170085026A patent/KR101932854B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"The 'acoustic scallop': a bubble-powered actuator", R J Dijkink, J. Micromech. Microeng. 16(2006) 1653-1659 (2006.07.11.)* |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112522098A (en) * | 2020-11-27 | 2021-03-19 | 北京理工大学 | Multifunctional micro-operation device and method driven by sound waves and micro-bubbles |
CN112522098B (en) * | 2020-11-27 | 2022-03-22 | 北京理工大学 | Multifunctional micro-operation device and method driven by sound waves and micro-bubbles |
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