KR20030093663A - 폐쇄 순환형 미세 발전기 - Google Patents

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KR20030093663A
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Abstract

본 발명은 산업 정밀기계 분야인 폐쇄 순환형 미세 발전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 작은 크기를 가지는 미세 발전기의 발전 원리와 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명의 미세 발전기는 마이크로 시스템의 밀폐된 순환 회로를 갖는 마이크로 채널과, 온도차에 의한 비등과 응축을 통해 상기 마이크로 채널의 동공 내에서 순환하는 작동 유체와, 상기 작동 유체의 비등과 응축을 통해 상하로 왕복운동하여 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자와, 상기 운동자의 상하 왕복운동에 의해 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 소자와, 상기 작동 유체가 마이크로 채널의 동공내에서 역류가 되지 않도록 하는 역류 방지수단으로 구성된다.

Description

폐쇄 순환형 미세 발전기 {Micro-Generator with Cycling Microfluidic Circuitry}
본 발명은 산업 정밀기계 분야인 폐쇄 순환형 미세 발전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 작은 크기를 가지는 미세 발전기의 발전 원리와 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명은 전류를 유도해내기 위해서 주어진 온도차를 이용하며, 작은 액체의 비등 및 응축 현상에 대한 열역학 및 열전달과 MEMS(Microelectro Mechanical System)의 미세 가공기술을 미세 발전 분야에 적용한 것이다.
미세 기술인 마이크로(Micro) 시스템에는 마이크로 펌프, 마이크로 프로세서 등을 포함하여 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터 등의 전기를 필요로 하는 소자들이 많이 집적되어 있다.
이러한 소자들을 구동하는 데에 필요한 전압과 전류는 매크로(Macro) 시스템의 소모량에 비해 아주 적은 양이나, 마이크로라는 부피의 제약으로 인해 한정된 크기 내에서 안정적으로 전원을 공급하는 데 많은 어려움이 있었다.
현재 MEMS의 전원 공급방법으로 마이크로 연료전지, 마이크로 배터리(Micro Battery), 마이크로웨이브(Microwave) 형태가 있다.
그러나 최근 몇 년 사이에 외부전원을 이용하지 않고 온도차가 있는 외부 환경을 이용하여 반영구적인 자가 발전 시스템(Self-powered System)을 구상하기 시작했으며 이러한 시스템은 외부와 격리되어 반영구적으로 사용할 수 있는 자기 구동형 시스템(Autonomous MEMS)을 모색하게 되었다.
이러한 자기 구동형 시스템의 전원의 개발이라는 취지에서 몇몇 발전 방법론들이 연구되어 왔다.
이들 대부분의 방법론들은 이미 오래 전에 발견된 현상들을 이론적 배경으로 하고 있다.
종래 큰 규모의 매크로 시스템에서 발전 방식의 특징은 고온부와 저온부가 있을 때 작동 유체가 장비 내부에서 움직여 이들을 순차적으로 지나면서 고온부에서 가열되면서 외부로 일을 하고 저온부에서 냉각되어 고온부로 순환하는 형태를 가진다.
내연기관의 예를 들면 공기가 외부로부터 흡입, 가열(연소), 팽창(일), 배기의 과정을 거치며 새로운 공기의 흡입으로 계속적인 사이클을 형성한다.
그러나 마이크로 시스템에서는 부피와 미세 가공 방법에 대한 제약과 다른 전기전자 회로와의 집적을 고려해야 한다.
이러한 점을 고려한 MEMS의 미세 구조로의 적용 가능성이 매우 높은 기술로서는 열전 모듈(Thermoelectric Module)을 이용한 발전 방법이 있다.
이 방법은 서로 다른 두 금속을 접합시킨 후에 이들 사이에 온도차를 주면 전류가 유도되는 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 것이다.
이 방법은 구조가 간단하여 신뢰성이 높고, MEMS의 미세구조에 적합하며 다양한 온도차에 대해서도 그에 해당하는 전기를 발생시킬 수 있다.
또한 작동 유체라든가 기계적 운동을 하는 부분이 필요없기 때문에 안전성과 소음면에서 유리하다.
그러나, 성능을 높이기 위한 적합한 재료의 개발이 계속적으로 진행되고 있음에도 불구하고 아직까지는 효율이 낮고 전류 및 전압이 낮아서 MEMS의 마이크로 펌프등에 필요한 전원을 공급하기에는 부족하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 반도체를 이용하여 열 에너지에서 전기 에너지로의 직접적 변환을 하는 저효율·저전압의 열전 모듈을 이용한 발전 방법의 대안으로서, 큰 규모의 매크로 시스템에서 검증된 발전 개념을 마이크로 시스템으로 확장 및 수정을 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 미세 발전 방법에 비해 좀 더 높은 효율과 전압을 좀더 작은 면적에서 얻을 수 있도록 열역학적 사이클의 개념을 마이크로 시스템에 적용하여, 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 폐쇄 순환형 미세 발전기를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 열 에너지에서 기계적 운동 에너지로 변환시키는 미세 왕복운동 장치와, 기계적 운동 에너지에서 전기 에너지로 변환시키는 미세 발전 장치의 두 가지 방향에서 이들 장치들을 개선하였다.
두 장치 각각의 성능향상을 위해 지속적 운전, MEMS 미세 가공의 용이성, 높은 효율과 전압의 발전 성능, 일회용으로도 쓸 수 있는 경제성, 외부 충격 등에 대해서 잘 견딜 수 있는 튼튼한 구조 등의 기술적 세부 사항을 고려하였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세 발전기의 내부 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세 발전기의 내부 구조도이다.
도 3a와 도 3b는 도 1의 경우에 발전 개념도이다.
도 4a와 도 4b는 도 2의 경우에 발전 개념도이다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 미세 발전기에서 역류를 방지하는 마이크로 밸브의 역할을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 마그네트12 : 작동 유체
14 : 코일16 : 박막
18 : 단열부20 : 가열부
22 : 냉각부24 : 마이크로 밸브(모세관 펌프)
26 : 더미 매스28 : PZT
30 : 마이크로 채널
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 하여 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
MEMS의 미세 시스템은 되도록 단순한 2차원적 구조를 가지는 것이 장기간 운용의 신뢰성, 제조의 용이함을 얻을 수 있는 방법이다.
이를 위해 본 발명에 따른 미세 발전기의 구조는 아주 단순화된 몇개의 구성요소로 이루어진다.
마이크로 시스템의 밀폐된 순환 회로를 갖는 마이크로 채널과, 온도차에 의해 비등과 응축을 통해서 상기 마이크로 채널의 동공 내에서 순환하는 작동 유체와, 상기 작동 유체의 비등과 응축을 통해 상하로 왕복운동하여 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자(Prime Mover)와, 상기 운동자의 상하 왕복운동에 의해 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 소자와, 상기 작동 유체가 마이크로 채널의 동공내에서 역류가 되지 않도록 하는 역류 방지수단으로 구성된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세발전기의 내부 구조도이다.
도 1은 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자로서 마그네트(10)가 사용되고, 기계적 운동 에너지를 전기 에너지를 변환하는 발전 소자로서 상기 마그네트(10) 외부에 다층으로 권취된 코일(14)이 사용된다.
또한 상기 역류 방지수단으로는 도 5와 같은 마이크로 밸브(24)나 마이크로 채널(30)의 동공 내로 작동 유체(12)를 계속 공급하는 모세관 펌프(24)가 사용된다.
도 1을 자세히 설명하면, 하부의 가열부(20)는 열원으로부터의 전도 열전달에 의해 지속적으로 열을 공급받는다.
가열부(20) 상부의 마이크로 채널(30)은 일정거리 이격되어 대향되게 상하 지그재그로 배열되고 박막(16)에 의해 개폐되며, 마이크로 채널(30)의 이격된 중간 사이에는 상하 이동이 가능한 마그네트(10)와 마그네트(10) 외부에 권취된 코일(14)이 위치된다.
상기 마이크로 채널(30)의 외부와 상부 및 지그재그로 배열된 사이에는 냉각부(22)가 형성되고 가열부(20)와 마이크로 채널(30)의 사이에는 중앙 부위를 제외하고 단열부(20)가 형성된다.
상기 가열부(20)와 냉각부(22)는 열전달 특성이 좋은 구리, 금, 알루미늄 등의 물질로 이루어지고 단열부(18)는 단열 특성이 좋은 물질로 이루어진다.
마이크로 채널(30)에는 상기 마그네트(10)가 상부에 위치된 박막(16)이 형성되어 온도가 상승함에 따라 압력에 의해 박막(16)이 팽창되고 이에 의해 마그네트(10)가 위로 올라가게 된다.
본 발명에서 상기 박막(16)으로는 실리콘 러버(Silicon Rubber)가 사용된다.
상기 마이크로 채널(30)에서 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주기 위해 모세관 펌프(24)나 마이크로 밸브(24)가 마이크로 채널(30)에 설치된다.
상기 구성의 발전 원리는 열역학적 사이클에 기초를 두고 있는 것으로 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 순환하면서 상변화(Phase Change)를 겪게 되고 이런 변환 과정 중에 상변화에 필요한 열인 잠열(Latent Heat)을 발전에 활용하는 것이다.
구체적으로 설명하면, 제1단계에서 마이크로 밸브(30)가 박막(16)에 의해 폐쇄된 상태에서 발전기 하부의 가열용 구리판인 가열부(20)로 전도 열전달에 의해서 열원으로부터 지속적으로 열이 공급된다.
공급된 열은 단열부(18)가 형성되지 않은 중앙 부위를 통해 마이크로 채널(30)에 열을 공급하게 되고 이 열은 마이크로 채널(30)의 작동 유체가(12) 액체에서 기체로 상변화하는데 사용된다.
따라서 상기 가열부(20)는 지속적으로 기포(Bubble)를 생성시키는 보일러(Boiler)의 역할을 하게 된다.
제2단계에서, 기포에 의해서 마이크로 채널(30)의 폐쇄된 동공(Cavity) 내에서 기체 상태의 체적과 압력이 계속 상승한다.
이때에는 상승된 압력에 의해 도 5b에서와 같이 마이크로 밸브(24)를 압착시켜 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주고 이에 의해 폐쇄된 상태에서 높아지고 있는 압력이 유지된다.
상기 마이크로 밸브(24) 대신 모세관 펌프(24)를 사용하여 마이크로 채널(30)의 동공내로 계속 액체를 공급할 수도 있다.
이때 모세관 펌프(24)에 의해서 얻어지는 압력차는 동공 내에서 상승되는 압력보다 커야 된다.
제3단계에서, 상승된 압력이 상부의 박막(16)을 팽창시키면 도 3b처럼 박막(16) 위의 마그네트(10)를 위로 밀어 올려 마이크로 채널(30)의 동공 내의 고압 기체들이 빠져 나가게 된다.
이에 의해 마그네트(10) 주위에 권취된 코일(14)에 유도 전류가 만들어 진다.
작동 유체(12)의 이러한 작용은 고압의 동공내에서 저압의 응축부로의 팽창이라 볼 수 있으며 상기 박막(16)과 마그네트(10)는 일종의 터빈(Turbine)의 역할을 하는 것이다.
마지막 단계인 제4단계에서, 빠져 나간 기체 상태의 작동 유체(12)는 다시 마이크로 밸브(30)의 상부와 옆면에 있는 저온의 냉각용 구리판과 핀(Fin) 등의 냉각부(22)로부터 계속 열을 빼앗겨 차가워지고 응축되어 흘러내린다.
이때 운동자인 마그네트(10)와 박막(16)은 자체 하중에 의해 떨어져서 마이크로 채널(30)을 다시 폐쇄시키게 된다.
이렇게 작동 유체(12)는 폐쇄 순환 회로에서 비등, 팽창, 응축, 압축의 일련의 과정을 거쳐 일종의 열역학적 사이클을 형성하며, 그 중에서 팽창하여 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 빠져나가는 순간 운동자인 마그네트(10)를 진동시켜 전기를 유도하게 된다.
상기 마그네트(10)의 수직 왕복운동은 마그네트(10) 주위에 고정된 코일(14)에 유도 전류를 만들어 전기를 생산하게 된다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세발전기의 내부 구조도이다.
도 2는 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자(Prime Mover)로서 단순히 질량만을 가진 더미 메스(Dummy Mass,26)가 사용되고, 기계적 운동 에너지를 전기 에너지를 변환하는 발전 소자로서 상기 더미 메스(26)의 가장자리에 연결된 PZT(28)가 사용된다.
또한 상기 역류 방지수단으로는 도 5와 같은 마이크로 밸브(24)나 마이크로 채널(30)의 동공 내로 작동 유체(12)를 계속 공급하는 모세관 펌프(24)가 사용된다.
도 2를 자세히 설명하면, 하부의 가열부(20)는 열원으로부터의 전도 열전달에 의해 지속적으로 열을 공급받는다.
가열부(20) 상부의 마이크로 채널(30)은 일정거리 이격되어 대향되게 상하 지그재그로 배열되고 박막(16)에 의해 개폐되며, 마이크로 채널(30)의 이격된 중간 사이에는 상하 이동이 가능한 박막(16) 위의 더미 메스(26)와 더미 메스(26)에 연결된 PZT(28)가 위치된다.
상기 마이크로 채널(30)의 외부와 상부 및 지그재그로 배열된 사이에는 냉각부(22)가 형성되고 가열부(20)와 마이크로 채널(30)의 사이에는 중앙 부위를 제외하고 단열부(20)가 형성된다.
상기 가열부(20)와 냉각부(22)는 열전달 특성이 좋은 구리, 금, 알루미늄 등의 물질로 이루어지고 단열부(18)는 단열 특성이 좋은 물질로 이루어진다.
마이크로 채널(30)에는 상기 더미 메스(26)가 상부에 위치된 박막(16)이 형성되어 온도가 상승함에 따라 마이크로 채널(30) 내의 상승되는 압력에 의해 박막(16)이 팽창되고 이에 의해 더미 메스(28)가 위로 올라가게 된다.
본 발명에서 상기 박막(16)으로는 실리콘 러버(Silicon Rubber)가 사용된다.
상기 마이크로 채널(30)에서 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주기 위해 모세관 펌프(24)나 마이크로 밸브(24)가 마이크로 채널(30)에 설치된다.
도 1에서와 같이 상기 구성의 발전 원리는 열역학적 사이클에 기초를 두고 있는 것으로 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 순환하면서 상변화(Phase Change)를 겪게 되고 이런 변환 과정 중에 상변화에 필요한 열인 잠열(Latent Heat)을 발전에 활용하는 것이다.
구체적으로 설명하면, 제1단계에서 마이크로 밸브(30)가 박막(16)에 의해 폐쇄된 상태에서 발전기 하부의 가열용 구리판인 가열부(20)로 전도 열전달에 의해서 열원으로부터 지속적으로 열이 공급된다.
공급된 열은 단열부(18)가 형성되지 않은 중앙 부위를 통해 마이크로 채널(30)에 열을 공급하게 되고 이 열은 마이크로 채널(30)의 작동 유체(12)가 액체에서 기체로 상변화하는데 사용된다.
따라서 상기 가열부(20)는 지속적으로 기포(Bubble)를 생성시키는 보일러(Boiler)의 역할을 하게 된다.
제2단계에서, 기포에 의해서 마이크로 채널(30)의 동공 내에서 기체 상태의 체적과 압력이 계속 상승한다.
이때에는 상승된 압력에 의해 도 5b에서와 같이 마이크로 밸브(24)를 압착시켜 작동 유체(12)가 역방향으로 흐르는 것을 막아주고 이에 의해 폐쇄된 상태에서 높아지고 있는 압력이 유지된다.
상기 마이크로 밸브(24) 대신 모세관 펌프(24)를 사용하여 마이크로 채널(30)의 동공내로 계속 액체를 공급할 수도 있다.
이때 모세관 펌프(24)에 의해서 얻어지는 압력차는 동공 내에서 상승되는 압력보다 커야 된다.
제3단계에서, 상승된 압력이 상부의 박막(16)을 팽창시키면 도 4b에서와 같이 박막(16) 위의 더미 메스(26)를 위로 밀어 올려 마이크로 채널(30)의 동공 내의 고압 기체들이 빠져 나가게 된다.
이에 의해 더미 메스(26)의 가장자리에 연결된 PZT(28)에 변형을 가져와 PZT(28)에 전류를 유도하게 된다.
작동 유체(12)의 이러한 작용은 고압의 동공내에서 저압의 응축부로의 팽창이라 볼 수 있으며 상기 박막(16)과 더미 메스(26)는 일종의 터빈(Turbine)의 역할을 하는 것이다.
마지막 단계인 제4단계에서, 빠져 나간 기체 상태의 작동 유체(12)는 다시 마이크로 밸브(30)의 상부와 옆면에 있는 저온의 냉각용 구리판과 핀(Fin) 등의 냉각부(22)로부터 계속 열을 빼앗겨 차가워지고 응축되어 흘러내린다.
이때 스프링 작용에 의해 마이크로 채널(30)을 다시 폐쇄시키게 된다.
이렇게 작동 유체(12)는 폐쇄 순환회로에서 비등, 팽창, 응축, 압축의 일련의 과정을 거쳐 일종의 열역학적 사이클을 형성하며, 그 중에서 팽창하여 작동 유체(12)가 마이크로 채널(30)을 빠져나가는 순간 운동자인 더미 메스(26)를 진동시켜 전기를 유도하게 된다.
더미 메스(26)의 수직 왕복운동은 더미 메스(26)의 가장자리에 연결된 PZT(28)의 변위를 가져와 전기를 생산하게 된다.
도 1과 도 2의 구조에 의한 발전 과정을 다시 정리하면, 온도차(열 에너지)에 의해 작동 유체(12)가 상변화를 일으키고, 이 상변화가 박막과 운동자(마그네트 또는 더미 메스)의 상하의 기계적 에너지로 변환시킨 후 이를 다시 발전소자(코일, PZT)를 이용하여 유도 전류(전기 에너지)를 발생시키는 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명은 작동 유체(12)의 상변화를 이용함으로써 작동 유체(12)의 액체에서 기체로, 혹은 기체에서 액체로의 상태 변화를 거치는 동안, 기화열/액화열이 커다란 체적 변화를 만들어내고 이 팽창과 수축의 체적 변화를 박막과 운동자의 운동 에너지를 변환시켜 유효한 동력으로 변환시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 온도차가 설계 범위를 벗어난 경우에도 효율과 출력은 감소되지만 어느 정도의 전기를 지속적으로 생산할 수 있다.
이상과 같은 본 발명을 통해서, 본 발명에 따른 미세 발전기를 발전소, 화학 플랜트, 소각장 등의 폐열 회수용으로 사용할 수 있으며, 좀 더 작은 크기로 제작하여, 체온, 태양열 등을 에너지원으로 해서 PDA, 노트북 컴퓨터, DNA 칩 등의 주전원 또는 보조 전원으로 활용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 마이크로 시스템의 밀폐된 순환 회로를 갖는 마이크로 채널과,
    온도차에 의한 비등과 응축을 통해 상기 마이크로 채널의 동공 내에서 순환하는 작동 유체와,
    상기 작동 유체의 비등과 응축을 통해 상하로 왕복운동하여 열 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 운동자와,
    상기 운동자의 상하 왕복운동에 의해 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 소자와,
    상기 작동 유체가 마이크로 채널의 동공내에서 역류가 되지 않도록 하는 역류 방지수단을,
    포함하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 작동 유체는 마이크로 채널 하부에 위치된 가열부와, 상부와 측부에 위치된 냉각부에 의해 비등과 응축됨을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 채널은 운동자 하부에 위치되는 박막에 의해 폐쇄되고, 작동 유체의 비등에 의해 박막이 팽창하여 개방됨을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 운동자는 마그네트인 것을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 발전 소자는 마그네트에 다층으로 권취된 코일인 것을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 운동자는 단순히 질량만을 가진 더미 메스(Dummy mass)인 것을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 발전소자는 더미 메스의 가장 자리에 연결된 PZT인 것을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 역류 방지수단은 비등이 일어나고 있는 마이크로 채널에 설치된 마이크로 밸브인 것을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 역류 방지수단은 비등이 일어나고 있는 마이크로 채널에 작동 유체를 공급하는 모세관 펌프인 것을 특징으로 하는 폐쇄 순환형 미세 발전기.
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