KR20190038052A - 자성 유체를 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

발전 장치가 개시된다. 개시된 발전 장치는 유체를 수용하는 바디부; 상기 바디부의 내에서 상기 유체로부터 발생되는 기포에 의해 회전하도록 배치되며, 자성 유체를 수용한 회전자; 상기 기포를 응결시켜 상기 유체로 환원시키는 응결부; 및 상기 회전자에 대응되는 위치에 배치되어, 상기 회전자의 회전에 대응되는 유도기전력을 발생시키는 고정자;를 포함할 수 있다.

Description

자성 유체를 이용한 발전장치{GENERATING DEVICE USING FERROFLUID}

본 발명은 자성 유체를 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 끓고 있는 유체에서 발생하는 기포를 이용하여 자성 유체를 포함하는 회전자를 회전시켜 유도기전력을 발생시키는 발전장치에 관한 것이다.

최근 자성 유체에 관한 연구개발 및 자성 유체의 상용화에 따라 자성 유체를 이용한 발전장치에 관한 연구가 활발하다.

이에 관해 US 특허(US 7105935 B2)는 자성 유체를 이용한 발전장치에 관해 개시하고 있다. 구체적으로 US 특허는 원리적으로 자성나노입자의 회전성을 유도하여 자속변화를 통한 전기발생을 목적으로 외부영구자석은 자성입자의 회전유도를 가속화할 목적으로 설치되었으며, 전기발생 코일부의 위치가 외부영구자석과 분리되어 이후 단에 설치되어 있다. 다만 US 특허는 실제 구현 시 발전효율이 매우 낮다는 문제점이 있었다.

다른 특허(WO 2013165105 A1)는 자성나노입자의 흐름을 유도하고, 이때 자성나노입자가 발생전압 취득 코일부를 지날 때 자화방향이 코일단면과 수직으로 입사하도록(동기화) 입자의 자제제어를 위해 외부영구자석의 자화방향을 흐름의 방향과 동일하게 설정하고 있다. 아울러 흐름의 가속화를 유도할 목적으로 외부영구자석의 형상을 고깔형태로 취하는 변형 형태도 제시하고 있다. 하지만 종래 발명에서는 자성나노유체가 분산되어 있는 상황에서 흐름을 상정하고 있고, 이러한 흐름은 시간적으로 자성나노입자의 위치가 기하학적으로 고정되어 있어 전압이 생성될 수 없는 구조이다.

이상과 같이 종래의 발전 장치들에서는 높은 발전 효율을 기대할 수 없다는 문제점이 있었다.

또한 최근에는, 에너지의 효율적인 활용을 위하여 각종 산업 시설에서 발생하는 폐열을 활용하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 폐열이란 내연 기관 등과 같은 시설에서 부수적으로 발생하는 열을 의미한다. 폐열은 그 온도가 높지 않기 때문에 이용하는 데 한계가 있다. 통상적으로는 350도 이하의 폐열은 직접적으로 이용이 어려워 대기로 방출하고 있다. 따라서, 이러한 폐열을 활용하여 효율적으로 발전을 수행할 수 있는 방법에 대한 필요성이 대두되었다.

본 발명은 이러한 필요성에 따른 것으로, 본 발명은 낮은 온도에서 끓는 유체를 이용하여 기포를 발생시키고, 이 기포의 흐름에 의해 자성 유체를 구비한 회전자를 회전시킴으로써 고효율의 연속 발전이 가능한 발전 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 유체를 수용하는 바디부; 상기 바디부의 내에서 상기 유체로부터 발생되는 기포에 의해 회전하도록 배치되며, 자성 유체를 수용한 회전자; 상기 기포를 응결시켜 상기 유체로 환원시키는 응결부; 및 상기 회전자에 대응되는 위치에 배치되어 상기 회전자의 회전에 대응되는 유도기전력을 발생시키는 고정자;를 포함하는 발전장치를 제공한다.

상기 유체는 제1 유체; 상기 제1 유체보다 큰 비중을 가지고, 끓는점이 낮은 제2 유체;를 포함하며, 상기 회전자는 상기 제1 유체의 비중보다 크고, 상기 제2 유체의 비중보다 작은 비중을 가지도록 설계되어, 상기 바디부 내에서 상기 제1 및 제2 유체 사이의 경계에 위치할 수 있다.

상기 제1 유체는 탈이온수(DI water)이며, 상기 제2 유체는 불소계화합물(HFE)일 수 있다.

본 실시예에 따른 발전장치는 상기 바디부의 내측벽에 형성되어 상기 회전자가 상기 유체 내에서 떠오르거나 가라앉지 않고 상기 유체 내에 위치하도록 상기 회전자의 상부 및 하부를 지지하는 한 쌍의 가이드를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 발전장치는 상기 회전자의 중심을 관통하는 고정축; 및 상기 회전자와 고정축 사이에 배치된 베어링;을 더 포함할 수 있다.

상기 회전자는 중앙에 관통구멍이 형성되고, 상기 관통구멍에는 상승하는 상기 기포에 의해 상기 회전자가 회전할 수 있도록 다수의 블레이드가 형성될 수 있다.

상기 회전자는 외측면에 동일한 나선 방향으로 다수의 나선형 가이드홈이 형성될 수 있다.

상기 회전자는 상기 다수의 나선형 가이드홈과 동일한 나선 방향으로 상기 회전자를 관통하여 형성된 다수의 나선형 가이드 구멍이 형성될 수 있다.

상기 회전자는 동일한 나선 방향으로 상기 회전자를 관통하여 형성된 다수의 나선형 가이드 구멍이 형성될 수 있다.

상기 회전자는 나선 모양으로 형성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 측면을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 표시된 Ⅱ-Ⅱ를 따라 자른 단면도이다.
도 3은 회전자를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에 표시된 Ⅵ-Ⅵ를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 회전자에 다수의 블레이드를 구비한 예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 회전자의 형상이 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 장치의 측면을 나타낸 단면도이다.
도 8은 가이드를 나타낸 사시도이다
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전 장치를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 9에 표시된 Ⅹ-Ⅹ를 따라 자른 단면도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 구조와 동작에 대해 순차적으로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 측면을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에 표시된 Ⅱ-Ⅱ를 따라 자른 단면도이다.

도 1을 참조하면, 발전장치(1)는 비자성 유체(10)를 수용하는 바디부(100)와, 내부에 자성 유체(20)를 수용하고 바디부(100)의 내에서 비자성 유체(10)로부터 발생되는 기포(B)에 의해 회전하는 회전자(200)와, 회전자(200)의 회전에 반응하여 유도기전력을 발생시키는 고정자(300)와, 바디부(100) 내의 비자성 유체(10)에 열을 제공하는 열원(500)과, 기포(B)를 응결시켜 액체상태의 비자성 유체(10)로 환원하는 응결부(600)를 구비한다.

비자성 유체(10)는 자기장 내에서 자성을 띄지 않는 물질이다. 이에 따라후술하는 영구자석인 고정자(300)와 반응하지 않는다. 비자성 유체(10)는 제1 유체(11)와 제2 유체(12)로 구성될 수 있다.

제1 유체(11)와 제2 유체(12)는 서로 혼합되지 않은 물질로 구성될 수 있다. 제2 유체(12)는 제1 유체(11) 보다 더 큰 비중을 가지고 있다. 이에 따라 제1 유체(11)와 제2 유체(12)가 바디부(100) 내에 함께 채워지면, 비중 차에 의해 제2 유체(12)는 제1 유체(11) 보다 아래에 위치한다.

제2 유체(12)는 제1 유체(11) 보다 끓는점이 낮은 물질로 구성될 수 있다. 이에 따라 열원(500)에서 열을 흡수한 제2 유체(12)는 낮은 온도에서 끓을 수 있으며 기포(B)가 발생될 수 있다. 일 예로, 제1 유체(11)는 탈이온수(deionized water, DI water)로 이루어질 수 있고, 제2 유체(12)는 불소계화합물(HFE)로 이루어질 수 있다. 하지만, 이러한 물질로 한정되는 것은 아니며, 제2 유체(12)는 제1 유체(11) 및 자성 유체(20)보다 높은 비중을 가지면서 끓는 점이 낮은 유체라면 다양하게 대체될 수 있다.

이에 따라 제2 유체(12)는 열원(500)에서 열을 흡수하게 되면 제1 유체(11) 보다 먼저 끓게 된다.

자성 유체(20)는 철(Fe)이 함유되어 자석에 반응할 수 있는 자성나노유체(ferrofluid)일 수 있다. 자성 유체(20)는 고정자(300)에 의해 형성되는 자기장 내에서 입자들이 일정한 움직임을 보일 수 있다.

자성 유체(20)는 비중이 제1 유체(11) 보다 크며 제2 유체(12) 보다 작다. 이에 따라 자성 유체(20)는 제1 유체(11) 및 제2 유체(12)의 경계에 위치하게 된다. 즉 바디부(100)의 하단(100a)에서 상단(100b) 방향을 기준으로 할 때, 제2 유체(12), 자성 유체(20) 및 제1 유체(11)의 순서로 채워지게 된다.

바디부(100)는 Z축 방향으로 소정 높이를 갖도록 형성되는 원통 수직관일 수 있다. 다만 바디부(100)의 형상은 원통에 제한되지 않으며 필요에 따라 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

바디부(100)의 하단(100a)은 폐쇄되고 바디부(100)의 상단(100b)은 개방된다. 이 경우, 바디부(100)의 상단(100b)은 응결부(600)에 의해 폐쇄된다. 따라서 바디부(100)의 내부는 바디부(100)의 외부와 격리된다.

바디부(100)의 하단(100a)은 열원(500)과 접촉되어 있다. 이에 따라 바디부(100) 내의 비자성 유체(10)는 열원(500)으로부터 전도를 통해 열을 전달받을 수 있다. 다만 필요에 따라 바디부(100)의 하단(100a)은 열원(500)과 소정 간격 이격 될 수 있으며, 이 경우 열원(500)으로부터의 대류를 통해 열을 전달받을 수 있다. 열원(500)으로는 외부 내연 기관이나 기타 설비들에서 발생하는 폐열을 이용할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

바디부(100)는 열전도율이 높은 재질로 구성될 수 있다. 이에 따라 열원(500)에서 빠르게 열을 흡수하여 제2 유체(12)에 전도할 수 있다.

응결공간(110)은 비자성 유체(10)의 상측 공간에 해당한다. 비자성 유체(10)에서 발생한 기포(B)는 상승하면서 점차 열원(500)과 거리가 멀어지면서 응결공간(110) 및 응결부(600)에서 식는다. 이와 같이 기포(B)는 응결공간(110)에서 응결된 후 자중에 의해 바디부(100)의 내주면을 따라 낙하하거나 응결부(600)의 저면으로부터 비자성 유체(10)로 낙하한다. 이와 같이 비자성 유체(10)는 냉각 사이클에 의해 순환된다. 응결부(600)의 구조 및 형태는 실시 예에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 응결부(600)는 충분한 응결공간이 확보될 수 있도록 길게 형성될 수 있다. 또는, 응결부(600)는 기포가 좀 더 빨리 식을 수 있도록 바디부(100)의 측벽에 마련된 냉각수 튜브나, 열전소자 냉각장치 등을 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.

회전자(200)는 자성 유체(20)를 수용하며, 그 비중이 제1 유체(11)의 비중보다 크고 제2 유체(12)의 비중보다 작다. 이에 따라 자성 유체(20)를 수용한 회전자(200)는 바디부(100) 내에서 제1 유체(11) 및 제2 유체(12)의 경계에 위치한다. 회전자(200)의 구조에 관한 상세한 설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.

고정자(300)는 고정자(300)는 바디부(100)의 길이 방향을 기준으로 바디부(100) 내부의 회전자(200)의 높이와 대응되는 높이에 위치한다. 고정자(300)는 도면에 도시하지 않은 통상의 구조물에 의해 지지될 수 있다.

도 2를 참조할 때, 고정자(300)는 다수의 자극돌기(300a, 300b, 300c, 300d)를 갖는다. 다수의 자극돌기는 각각 N극이 착자된 한 쌍의 제1 자극돌기(300a, 300c)와, S극이 착자된 한 쌍의 제2 자극돌기(300b, 300d)을 포함한다. 제1 자극돌기(300a, 300c)과 제2 자극돌기(300b, 300d)는 바디부(100)의 외주면에 간격을 두고 번갈아가면서 배치된다. 다만 필요에 따라 개수와 각 자극돌기 간의 간격은 달라질 수 있다.

고정자(300)의 일단(310)은 회전자(200)와 대응하는 면적을 최대로 하기 위해 바디부(100)의 외주면과 대응되는 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이에 따라 회전자(200)가 회전할 경우 변화하는 자속을 포함하는 면적이 증가함에 따라 유도기전력도 증가될 수 있다.

도 2에서는 고정자(300)가 바디부(100)의 외주면에 배치된 형태를 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 고정자(300)는 바디부(100)의 내측벽에서 회전자(200)와 대응되는 위치에 배치될 수도 있다.

코일부(400)는 고정자(300)의 각 자극 돌기들(300a, 300b, 300c, 300d)의 외면을 둘러쌓도록 감겨진다. 코일부(400)는 패러데이 법칙에 의해 유도기전력을 발생시키기 위한 것으로, 코일부(400)의 권선 수(n)는 발생하는 유도기전력(V)과 비례한다. 다만, 권선 수(n)가 많아질수록 자속 변화에 대한 저항이 발생하므로 적절한 권선 수(n)를 갖도록 설계할 수 있다.

열원(500)은 폐열을 이용한 것으로, 제2 유체(12)에 열을 전달하여 제2 유체(12)를 끓여 기포를 발생시킨다. 열원(500)은 바디부(100)의 하단부와 접촉 또는 비접촉할 수 있다. 열원(500)이 바디부(100)의 하단부와 접촉할 경우, 열원(500)에서 발생한 열은 전도에 의해 제2 유체(12)로 전달된다. 열원(500)이 바디부(100)의 하단부와 비접촉할 경우, 열원(500)에서 발생한 열은 대류에 의해 제2 유체(12)로 전달된다. 열원(500)의 열을 효율적으로 전달하기 위해, 열원(500)은 바디부(500)의 하단(100a) 및 하단과 인접한 측면을 감싸는 것이 바람직하다.

이 경우 열원(500)은 제2 유체(12)를 끓게 하되, 제1 유체(11)를 끓지 않게 하는 정도의 온도를 갖는 열을 제공하는 것이 바람직하다. 또한 열원(500)은 200℃ 이하의 저온 폐열 에너지일 수 있다. 이에 따라 본 발명의 발전장치는 플랜트 공정 상에서 회수율이 낮은 폐열을 열원(500)으로 이용하여 추가 전력을 생산할 수 있다.

응결부(600)는 기체상태의 제2 유체(12)를 다시 액체상태로 응결시키기 위한 것으로 열싱크(heat sink)에 해당한다. 응결부(600)는 별도의 냉각 사이클의 열을 흡수하는 증발기에 해당할 수 있다. 또는 응결부(600)는 대류 및 방사를 통해 열을 발산할 수 있다. 대류를 통해 충분히 열을 발산하기 위해 응결공간(110)을 형성하는 바디부(100)는 바디부(100)의 길이 방향(Z)으로 충분히 길게 형성될 수 있다. 이 경우 응결부(600)는 별도의 냉각 사이클을 형성하지 않아 발전 장치의 에너지 효율이 증가할 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자의 상세한 구조에 대해 설명한다. 도 3은 회전자를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3에 표시된 Ⅵ-Ⅵ를 따라 자른 단면도이다.

회전자(200)는 일정한 두께(t, 도 4 참조)를 가진 케이지로서, 회전자(200)의 내부에는 자성 유체(20)를 수용하기 위한 수용공간(240)이 형성되어 있다. 또한 회전자(200)는 다수의 돌출부(210), 다수의 나선형 가이드 구멍(230), 다수의 나선형 가이드홈(235) 및 수용공간(240)을 포함한다.

다수의 돌출부(210)는 회전자(200)의 외주면을 따라 이격공간(220)을 사이에 두고 형성된다. 회전자(200)는 다수의 이격공간(220)을 형성함으로써 회전자(200)가 회전할 때 고정자(300)와 반응하면서 자속 변화를 줄 수 있다. 또한 각 돌출부(210)의 일단(210a)은 자속 변화를 최대로 하기 위해 고정자(300)의 일단(310)과 대응하는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

회전자(200)가 상승하는 기포(B)에 의해 바디부(100) 내에서 회전할 경우, 고정자(300)의 일단(310)은 돌출부(210)-이격공간(220)-돌출부(210) 순으로 번갈아가면서 마주하게 된다. 이에 따라 코일부(400)를 통과하는 면적에 자속의 변화가 발생하며 유도기전력(V)이 발생할 수 있다.

회전자(200)는 회전자(200)를 관통하여 형성된 다수의 나선형 가이드 구멍(230)이 형성된다. 다수의 나선형 가이드구멍(230)은 제2 유체(12)의 기포(B)가 통과할 수 있는 정도의 직경을 가진다. 다수의 나선형 가이드구멍(230)은 회전자(200)의 하측면(200a)에서 상측면(200b)으로 이어지며, 모두 동일한 나선 방향으로 형성되어 있다. 이에 따라 제2 유체(12)의 기포(B)가 상승하여 다수의 나선형 가이드 구멍(230)을 통과하게 되면, 이 기포(B)의 흐름에 의해 회전자(200)는 일 방향으로 회전하게 된다.

다수의 나선형 가이드구멍(230)은 회전자(200)의 수용공간(240)을 통과하도록 형성된다. 나선형 가이드구멍(230)에 의해서 수용공간(240)은 밀폐되어 있어 수용된 자성 유체(20)가 회전자(200)의 외부로 누출되지 않는다.

회전자(200)는 다수의 나선형 가이드구멍(230)에 더하여 외측면(200c)에 다수의 나선형 가이드홈(235)이 형성될 수 있다. 다수의 나선형 가이드홈(235)은 제2 유체(12)의 기포(B)가 가이드 될 수 있다. 다수의 나선형 가이드홈(235)은 회전자(200)의 하측면(200a)에서 상측면(200b)으로 이어지며, 모두 동일한 나선 방향으로 형성되어 있다.

이 경우, 다수의 나선형 가이드구멍(230)과 다수의 나선형 가이드홈(235)은 모두 동일한 나선 방향으로 형성된다. 이에 따라 다수의 나선형 가이드구멍(230)과 다수의 나선형 가이드홈(235)이 오른 나사 방향으로 형성된 경우에는, 도 2와 같이 회전자(200)의 상측면(200b)에서 보았을 때, 회전자(200)는 반시계방향으로 회전한다. 반면, 다수의 나선형 가이드구멍(230)과 다수의 나선형 가이드홈(235)이 모두 왼 나사 방향으로 형성된 경우에는, 회전자(200)는 시계방향으로 회전한다.

이에 따라 회전자(200)는 제2 유체(12)에서 발생한 기포(B)가 다수의 나선형 가이드구멍(230)및 다수의 나선형 가이드홈(230)을 따라 이동하게 되면서 일 방향으로 회전할 수 있는 회전력이 부여된다.

다수의 나선형 가이드구멍(230)과 다수의 나선형 가이드홈(235)은 도 3과같이 회전자(200)에 함께 형성될 수 있으며, 필요에 따라 다수의 나선형 가이드구멍(230) 및 다수의 나선형 가이드홈(235) 중 하나만 형성될 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치(1)의 동작에 관해 설명한다.

도 2에 도시된 이격 거리(d)는 고정자(300)의 일단(310)과 회전자(200)의 외주면(200c) 간의 거리이다.

열원(500)으로부터 열을 공급받아 제2 유체(12)가 끓게 되면, 제2 유체(12)에서 기포(B)가 발생한다.

발생된 기포(B)는 바디부(100)의 상단(100b) 방향으로 상승하게 되며 바디부(100) 내에 위치한 회전자(200)를 소정의 속도로 통과하게 된다. 이때 기포(B)가 회전자(200)에 형성된 다수의 나선형 가이드구멍(230) 및 다수의 나선형 가이드홈(235)을 통과하게 되며, 비자성 유체(10) 내에 부유하고 있는 회전자(200)에 회전력이 부여된다. 이에 따라 자성 유체(20)를 수용하는 회전자(200)는 고정자(300)와 대응되는 위치에서 일 방향으로 지속적으로 회전하게 된다. 회전자(200)가 회전하게 되면서 고정자(300)와의 이격거리(d)에 변화가 생긴다.

구체적으로 이격거리(d)는 고정자(300)의 다수의 자극돌기(300a, 300b, 300c, 300d)가 회전자(200)의 돌출부(210)의 일단(210a)과 마주하는 경우 최소가 되며, 고정자(300)의 다수의 자극돌기(300a, 300b, 300c, 300d)가 회전자(200)의 이격공간(220)의 정중앙과 마주하는 경우 최대가 된다. 따라서 자성 유체(20)를 수용하는 회전자(200)의 회전에 의해, 고정자(300)의 주위를 감고 있는 코일부(400)의 단면을 통과하는 자속이 변화하게 되고 코일부(400)에 유도기전력(V)이 발생한다.

한편, 회전자(200)를 통과한 후 상승한 기포(B)는 응결부(600)와 가까워짐에 따라 주변 공기 및 응결부(600)로 열이 흡수되면서 냉각되면서 응결된다. 이와 같이 기포(B)는 다시 액체상태의 제2 유체(12)로 상변화하여 자중에 의해 바디부(100)의 하단(100a)을 향해 내려간다.

발전 장치(1)는 바디부(100) 내의 물질을 계속해서 이용할 수 있는 것으로 반영구적으로 쓰일 수 있다. 또한 열원(500)이 플랜트의 200℃ 이하의 저온 폐열을 이용할 경우 플랜트의 발전효율도 향상될 수 있다.

이하에서는 도 5 내지 도 6을 참조하여, 회전자에 구비되는 다수의 블레이드 및 회전자의 형상이 다른 예를 설명한다. 도 5는 회전자에 다수의 블레이드를 구비한 예를 나타낸 단면도이며, 도 6은 회전자의 형상이 다른 예를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조할 때, 회전자(200)는 회전자(200)의 회전을 하기 위한 다수의 블레이드(250)를 더 구비할 수 있다. 다수의 블레이드(250)는 제2 유체(12)에서 발생한 기포(B)에 의해 회전자(200)를 일정 방향으로 회전시킬 수 있다. 다수의 블레이드(250)는 회전자(200)의 중앙에 배치될 수 있으며, 회전자(200)의 측면(200c)을 따라 형성될 수 있다. 다수의 블레이드(250)는 터빈 블레이드인 것이 바람직하다.

도 6을 참조할 때, 회전자(1200)는 하측면(1200a)이 상측면(1200b)에 대해 일정 각도 회전되도록 트위스팅됨에 따라 나선 모양으로 형성된다. 이에 따라 돌출부(1210)는 회전자(1200)는 하측면(1200a)이 상측면(1200b)에 대해 나선 모양으로 돌출되어 있다. 또한 돌출부(1210) 사이에 위치하는 이격공간(1220)도 회전자(1200)는 하측면(1200a)이 상측면(1200b)에 대해 나선 모양으로 형성되어 있다.

이격공간(1220)은 제2 유체(12)의 기포(B)가 통과하는 다수의 나선형 가이드구멍(230, 도 3 참조) 및 다수의 나선형 가이드홈(235, 도 3 참조)과 동일한 기능을 할 수 있다. 제2 유체(12)의 기포(B)는 이격공간(1220)을 통과하게 되고, 기포(B)의 흐름에 의해 회전자(1200)에 회전력이 가해져 회전자(1200)는 바디부(100) 내에서 회전하게 된다.

이격공간(1220)이 오른 나사 방향인 경우에는, 회전자(1200)의 상측면(1200b)에서 보았을 때 회전자(1200)는 반시계방향으로 회전한다. 한편, 이격공간(1220)이 왼 나사 방향으로 형성된 경우에는, 회전자(1200)의 상측면(1200b)에서 보았을 때 회전자(1200)는 시계방향으로 회전한다.

또한 회전자(1200)는 이격공간(1220)의 나선 모양의 방향과 동일한 방향의 다수의 나선형 가이드구멍(230) 및 다수의 나선형 가이드홈(235)을 추가로 포함할 수 있다. 회전자(1200)는 다수의 나선형 가이드구멍(230) 및 다수의 나선형 가이드홈(235)이 모두 형성될 수 있으며, 필요에 따라 다수의 나선형 가이드구멍(230) 또는 다수의 나선형 가이드홈(235) 중 하나만 형성될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 장치의 측면을 나타낸 단면도이며, 도 8은 가이드를 나타낸 사시도이다. 본 발명의 다른 실시 예는 도 1에 따른 본 발명의 일 실시예의 구성들과 동일하며 이에 따라 동일한 부재번호를 사용하여 나타낸다.

도 7을 참조할 때, 비자성 유체(10)를 구성하는 제1 유체(11)와 제2 유체(12)는 동일한 물질로 구성될 수 있다. 동일한 물질로 구성된 비자성 유체(10)는 비자성 물질이며, 끓는점이 150℃ 이하에 해당한다. 바람직하게는 비자성 유체(10)는 불소계화합물(HFE)이다.

다만, 바디부(100) 내에 수용되는 비자성 유체(10)는 동일한 물질로 구성되어 있어 자성 유체(20)를 포함하는 회전자(200)는 비자성 유체(10)와의 비중의 차이를 이용할 수 없다. 이에 따라 회전자(200)는 고정부(300)와 대응하는 위치에 고정적으로 위치할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해 발전 장치(2001)는 바디부(100)의 내측벽에 형성되어 회전자(200)가 비자성 유체(10) 내에서 떠오르거나 가라앉지 않고 비자성 유체(10) 내에 위치하도록 회전자(200)의 상부 및 하부를 지지하는 한 쌍의 가이드(700)를 더 포함한다.

도 8을 참조할 때, 가이드(700)는 중공(710)을 포함하는 링 형상이며, 가이드(700)의 외주면을 따라 간격을 두고 형성되는 오목부(720)을 포함할 수 있다.

가이드(700)의 외주면에는 오목부(720) 사이에 위치하는 결합부(730)가 형성되어 있다. 결합부(730)는 바디부(100)의 내측면과 접촉하여 일체로 결합된다. 이에 따라 가이드(700)는 바디부(100) 내에서 고정된다.

도 7과 같이, 한 쌍의 가이드(700)는 상측 가이드(700a)와 하측 가이드(700b)로 구성된다. 바디부(100) 내부의 회전자(200)를 고정자(300)와 대응하는 위치에 고정하기 위해 상측 가이드(700a)는 회전자(200)의 상측에서 바디부(100)의 내측면과 결합하며, 하측 가이드(700b)는 회전자(200)의 하측에서 바디부(100)의 내측면과 결합한다. 이에 따라, 회전자(200)의 하측면(200a, 도 3 참조)은 하측 가이드(700b)에 의해 간섭되며, 회전자(200)의 상측면(200b, 도 3 참조)은 상측 가이드(700a에 의해와 간섭되어 바디부(100) 내의 회전자(200)를 고정자(300)와 대응하는 위치에 고정적으로 위치할 수 있다.

또한, 필요에 따라 회전자(200)는 다수의 나선형 가이드구멍(230, 도 3 참조) 및 다수의 나선형 가이드홈(235, 도 3 참조)이 모두 형성될 수 있으며, 필요에 따라 다수의 나선형 가이드구멍(230) 또는 다수의 나선형 가이드홈(235) 중 하나만 형성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전 장치를 나타낸 단면도이며, 도 10은 도 9에 표시된 Ⅹ-Ⅹ을 따라 자른 단면도이다. 본 발명의 또 다른 실시 예는 도 1에 따른 본 발명의 일 실시예의 구성들과 동일하며 이에 따라 동일한 부재번호를 사용하여 나타낸다.

발전 장치(3001)는 고정축(800)을 포함한다. 고정축(800)은 동일한 물질로 구성된 비자성 유체(10) 내에서 바디부(100) 내부의 회전자(200)를 고정자(300)와 대응하는 위치에 고정하기 위한 구성이다.

고정축(800)의 하단(800a)은 바디부(100)의 하단(100a)에 고정되며, 고정축(800)의 상단(800b)는 응결부(600)의 일단(600a)에 고정된다. 이에 따라 고정축(800)은 회전자(200)가 회전할 수 있도록 회전하지 않고 고정 상태를 유지한다.

도 10을 참조할 때, 회전자(200)는 고정축(800)에 고정된 상태로 회전하기 위해, 회전자(200)의 중심부에 베어링(260)을 구비할 수 있다. 베어링(260)은 회전자(200)와 고정축(800) 사이에 배치된다. 베어링(260)은 레이디얼 볼 베어링인 것이 바람직하다. 다만 필요에 의해 회전자(200)를 고정축(800)에 고정시킨 상태에서 회전자(200)를 회전할 수 있는 베어링이라면 어떠한 베어링이든 가능하다. 베어링(260)은 공지된 구성으로서 상세하게 설명하지 않는다.

베어링(260)의 외부 링(263)은 회전자(200)에 일체로 결합된다. 내부 링(262)에는 고정축(800)이 삽입되어 고정축(800)과 결합되어 고정된다. 이에 따라 회전자(200)와 고정축(800)은 베어링(260)을 통해 상호 고정적으로 연결된다. 따라서 회전자(200)가 회전할 경우 바디부(100)의 길이 방향(Z)으로 회전자(200)가 움직이지 않을 수 있다.

또한, 설계상의 필요에 따라 회전자(200)는 다수의 나선형 가이드구멍(230, 도 3 참조) 및 다수의 나선형 가이드홈(235, 도 3 참조)이 모두 형성될 수 있으며, 설계상의 필요에 따라 다수의 나선형 가이드구멍(230) 또는 다수의 나선형 가이드홈(235) 중 하나만 형성될 수 있다.

한편, 이상에서는 회전자 및 고정자가 4극으로 구성된 경우를 기준으로 설명하였지만, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 극수는 다양하게 변형될 수 있다. 가령, 8극으로 구현된 경우, 회전자의 돌출부는 8개로 구성되고, 고정자의 자극돌기도 8개로 구성될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1, 2001, 3001: 발전 장치 100: 바디부
200: 회전자 300: 고정자
400: 코일부 500: 열원
600: 응결부 700: 가이드
800: 고정축

Claims (10)

1. 유체를 수용하는 바디부;
   상기 바디부의 내에서 상기 유체로부터 발생되는 기포에 의해 회전하도록 배치되며, 자성 유체를 수용한 회전자;
   상기 기포를 응결시켜 상기 유체로 환원시키는 응결부; 및
   상기 회전자에 대응되는 위치에 배치되어 상기 회전자의 회전에 대응되는 유도기전력을 발생시키는 고정자;를 포함하는 발전 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유체는,
   제1 유체;
   상기 제1 유체보다 큰 비중을 가지고, 끓는점이 낮은 제2 유체;를 포함하며
   상기 회전자는 상기 제1 유체의 비중보다 크고 상기 제2 유체의 비중보다 작은 비중을 가지도록 설계되어 상기 바디부 내에서 상기 제1 및 제2 유체 사이의 경계에 위치하는 발전 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 유체는 탈이온수(DI water)이며, 상기 제2 유체는 불소계화합물(HFE)인 발전 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 바디부의 내측벽에 형성되어 상기 회전자가 상기 유체 내에서 떠오르거나 가라앉지 않고 상기 유체 내에 위치하도록 상기 회전자의 상부 및 하부를 지지하는 한 쌍의 가이드를 더 포함하는 발전 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 회전자의 중심을 관통하는 고정축; 및
   상기 회전자와 고정축 사이에 배치된 베어링;을 더 포함하는 발전 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 회전자는 중앙에 관통구멍이 형성되고 상기 관통구멍에는 상승하는 상기 기포에 의해 상기 회전자가 회전할 수 있도록 다수의 블레이드가 형성되는 발전 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 회전자는 외측면에 동일한 나선 방향으로 다수의 나선형 가이드홈이 형성된 발전 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 회전자는 상기 다수의 나선형 가이드홈과 동일한 나선 방향으로 상기 회전자를 관통하여 형성된 다수의 나선형 가이드 구멍이 형성된 발전 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 회전자는 동일한 나선 방향으로 상기 회전자를 관통하여 형성된 다수의 나선형 가이드 구멍이 형성된 발전 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 나선 모양으로 형성되는 발전 장치.

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