WO2013165105A1

WO2013165105A1 - 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법

Info

Publication number: WO2013165105A1
Application number: PCT/KR2013/003115
Authority: WO
Inventors: 정우태; 박덕신; 권순박
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2013-04-13
Publication date: 2013-11-07
Also published as: EP2866342A1; KR101301945B1; EP2866342B1; WO2013165105A8; EP2866342A4; US9698663B2; HK1204396A1; US20150303786A1

Abstract

본 발명은 자성을 띠는 나노입자인 자성유체와 상기 자성유체가 통과되는 실리콘튜브와 상기 실리콘튜브의 외측에 상기 자성유체가 상기 실리콘튜브 내측을 통과할 때 유도전력을 발생시키도록 소정구간 권선되는 솔레노이드코일로 구성된 유도발전부와 상기 유도발전부의 진입부에 실리콘튜브와 상기 실리콘튜브의 외측에 소정구간 권선되어 전류가 흐르게 되면 자속을 발생시켜 상기 자성유체의 극 방향성이 제어 될 수 있는 솔레노이드코일로 구성된 자극방향제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법을 제공한다. 본 발명의 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법에 의하면, 기존 사이클의 냉매 대신에 자성을 띤 유동체(자성유체)를 열변환 사이클에 직접 순환시키고 유도코일을 이용하여 직접 전기로 변환하는 시스템에 있어서 자성유체를 구성하는 자성입자를 극성 또는 방향성 제어방법을 적용하여 유도코일에 기전력의 발생량을 극대화 시켜 전기를 효율적으로 발생 가능하게 한다.

Description

자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법

본 발명은 중, 저온의 열에너지(특히 폐열)를 전기로 변환하기 위한 장치와 그 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 자성유체를 구성하는 자성입자의 방향성을 제어하여 유도코일에 효율적으로 기전력을 발생시켜 전기발생을 가능하게 하는 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법에 관한 것이다.

현재 중요한 에너지원으로 사용되고 있는 석탄, 석유 및 천연가스 등 화석연료가 고갈되어 감에 따라, 에너지의 사용효율을 높이고 특히 중,저온의 열에너지(특히 폐열)를 전기에너지로 효율적으로 변환하기 위해서 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있다.

열에너지를 전기로 변환하기 위해 사용되는 열역학의 랭킨사이클(Rankine Cycle)은 도 1에서 나타나는 바와 같이, 펌프(10)에 의해 순환되는 작동유체가 보일러(20)를 통과하여 고압의 증기로 변하여 터빈(30)을 회전시킴으로써 발생되는 축동력을 터빈에 연결된 발전기(40)를 회전시켜 전기를 생성하는 구조이다.

이와 같이 고온의 열원을 이용할 경우에는 작동유체로 물이 주로 사용되며, 중,저온 열원의 경우에는 유기 랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)로 구성되어 비등점이 낮고 증기압이 높은 작동유체로 프레온 계열의 냉매, 프로판 등의 탄화수소계 유기혼합물을 사용하고 있다.

그러나 기존 열-전기변환 사이클의 경우 열교환기 외에 터빈과 발전기가 추가로 장착됨으로 인해서 열전기변환 효율이 낮고, 시스템의 크기가 대형화되어 다양한 열화장치의 열 회수, 특히 중,저온의 폐열의 경우에는 열 회수 및 전기변환의 어려움이 있는 실정이다.

상기한 문제점의 해결방안으로 U.S Pat. No. 7,455,101에서, 기존의 작동유체(냉매) 대신에 자성입자로 구성된 자성유체를 사이클에 순환시키고, 유도코일을 이용하여 직접 전기 변환을 하는 시스템이 기재되어 있는데, 유도코일에 유도되는 전류를 발생하기 위해서 사이클을 순환하는 순환기 내부의 자성입자를 영구자석을 통해 스핀(회전)시키고 이를 통해 유도전류를 발생시키는 장치이나, 자성입자의 순환시에 발생하는 무질서 및 스핀으로 인한 자속의 상쇄로 인하여 유도전류를 이끌어내기 위해 요구되는 자속을 효율적으로 발생시키기 어렵다는 단점이 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, U.S Pat. No.4,064,409에서 소개된 실시예에 따른 자성유체를 이용한 전기발생 장치는 나노 크기 단위의 자성을 갖는 자성유체(100)와 자성유체가 흐르는 통로인 튜브(110)와 상기 자성유체(100)를 상기 튜브(110)를 통해 순환시키는 펌프(130)와 상기 자성유체(100)의 흐름으로 전기를 얻는 유도발전부(200)로 구성되어 있다.

이 경우, 상기 유도발전부(200)는 특히 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(130)로 인해 상기 자성유체(100)가 통과 되는 실리콘튜브(220)와 상기 실리콘튜브(200)의 외측에 나선형으로 소정구간 권선되어 실리콘튜브(220)를 감싸는 솔레노이드코일(230)로 구성되어 상기 자성유체(100)의 흐름으로 인해 플레밍의 오른손 법칙에 의거 발생된 유도 전력으로 기전력을 얻게 된다.

상기 자성유체(100)는 액체 속에 나노입자로 이루어진 자성분말을 콜로이드 모양으로 안정, 분산시킨 다음 침전이나 응집이 생기지 않도록 계면활성제를 첨가한 유체이다. 일반적으로, 자기력선이 자기장과 수직이고 면적이 A인 평면을 통과할 때 단위면적을 지나는 자기력선의 수는 자기장의 크기 B에 비례한다. 따라서 면적 A인 표면을 통과하는 자기력선의 수는 B*A에 비례한다. 평면의 법선과 자기장이 이루는 각이 θ일 때, 자속은 B*A*cosθ이다. 즉, 자기장과 면이 서로 수직일 때 자속은 B*A로 가장 큰 값을 가지며, 자기장과 표면적이 서로 평행일 때 0으로 가장 작은 값을 가진다. 따라서, 상기 자성유체(100)의 흐름으로 유도되는 기전력을 효율적으로 얻기 위해서는 상기 유도발전부(200)의 진입부(210)에 위치하는 상기 자성유체(100)의 극성의 방향성을 제어, 즉 자극의 방향을 일치시켜 자속을 극대화 할 필요가 있다.

또한, 페로플루이드는 자성을 가지는 고체 물질이 용융되었을 때 자성을 유발시키는 홑 전자들의 배향이 무질서 해짐으로 인해 자기적 성질이 상실되므로 결과적으로 액체상태의 자석이 될 수는 없다는 문제점을 해결한 것으로, 기타 산업설비, 가정용 기기, 휴대폰 열화, 전기자동차 등에 응용 및 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명된 것으로, 그 목적은 자성입자로 구성된 자성유체가 순환되는 사이클에 상기 자성유체의 극성의 방향성을 제어하여 솔레노이드 코일을 통과하는 자성입자의 전기변환 효율을 극대화 할 수 있는 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 자성유체의 방향성 제어장치는 자성을 띠는 나노입자인 자성유체와 상기 자성유체가 통과되는 실리콘튜브와 상기 실리콘튜브의 외측에 상기 자성유체가 상기 실리콘튜브 내측을 통과할 때 유도전력을 발생시키도록 소정구간 권선되는 솔레노이드코일로 구성된 유도발전부와 상기 유도발전부의 진입부에 실리콘튜브와 상기 실리콘튜브의 외측에 소정구간 권선되어 전류가 흐르게 되면 자속을 발생시켜 상기 자성유체의 극 방향성이 제어 될 수 있는 솔레노이드코일로 구성된 자극방향제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 솔레노이드코일을 감쌀 수 있도록 외측에 원통형상으로 형성되어 상기 솔레노이드코일을 통과하는 자성유체의 극 방향성이 제어 될 수 있는 영구자석을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 영구자석은, 상기 유도발전부의 진입부 방향 쪽으로 자속이 강해질 수 있도록 두껍게 원추형상으로 형성되는 원추형 영구자석을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 자성유체의 방향성 제어방법은 폐열에서 발생하는 열을 나노입자들로 이루어진 자성유체를 열매체로 사용하는 열교환기에서 열교환시키는 단계; 상기 열교환기에서 열교환된 자성유체를 상기 열교환과정에서 발생되는 압력차를 이용하여 열교환기의 출구에서 인출되어 상기 열교환기의 입구측으로 루프를 형성하도록 연결되어 있는 튜브를 통해 순환시키는 단계; 상기 튜브의 일측 둘레에 솔레노이드코일 또는 영구자석을 설치하여 상기 자성유체의 극성 방향을 정렬하는 단계; 및 상기 자성유체의 극성 방향을 정렬한 후 그 인접부위에서 솔레노이드코일을 통해 유도전력을 발생시키는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법에 의하면, 기존 사이클의 냉매 대신에 자성을 띤 유동체(자성유체)를 열변환 사이클에 직접 순환시키고 유도코일을 이용하여 직접 전기로 변환하는 시스템에 있어서 자성유체를 구성하는 자성입자를 극성 또는 방향성 제어방법을 적용하여 유도코일에서 기전력의 발생량을 극대화 시켜 전기를 효율적으로 발생 가능하게 한다.

또한, 최근 전기자동차 등에 사용되는 배터리의 열화 및 냉각, 전장품에 발생되는 열의 냉각을 넘어선, 전기에너지로 변환하여 회수하는 방식은 이미 선행 개발되고 있는 열전소자 이용 시의 비용증가 및 효율저하 문제에 대한 새로운 대안을 제시하고 기타 산업설비, 가정용 기기, 휴대폰 열화, 전기자동차 등에 응용 및 적용 가능할 것으로 예상한다.

도 1은 종래의 열역학의 랭킨사이클 시스템의 개요도

도 2는 자성유체를 이용한 전기발생 장치의 개요도

도 3은 도 2에 도시된 유도발전부의 개요도

도 4는 본 발명의 자극방향제어부가 구비된 유도발전부의 개요도

도 5는 본 발명의 영구자석이 구비된 유도발전부의 개요도

도 6은 본 발명의 자극방향제어부와 영구자석이 구비된 유도발전부의 개요도

도 7은 본 발명의 원추형 영구자석이 구비된 유도발전부의 개요도

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

우선, 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 자성유체의 방향성 제어장치는 자성을 띠는 나노입자인 자성유체(100)와 상기 자성유체(100)의 흐름으로 전기를 얻는 유도발전부(200)와 상기 유도발전부(200)의 진입부(210)에 실리콘튜브(220)와 솔레노이드코일(330)로 구성된 자극방향제어부(300)가 구비된다.

이 경우 상기 솔레노이드코일(330)에 전류를 흘려 주어 자속을 발생시키면 상기 실리콘튜브(220)내에서 상기 솔레노이드코일(330)을 통과하는 자성유체는 상기 솔레노이드코일(330)에 의하여 형성되는 자속의 영향을 받아 방향성이 제어되어 자성유체를 구성하는 각 나노입자들의 자극은 동일한 방향을 향하게 된다. 즉 자성유체를 구성하는 각 나노입자들은 상기 솔레노이드코일(330)의 출구방향을 향해 N극 또는 S극으로 동일한 방향으로 정렬된다.

이와 같이 자극이 진행방향을 향해 동일 방향을 향하도록 정렬된 자성유체는 상기 유도발전부(200)의 진입부(210)를 거쳐 솔레노이드코일(230)이 감싸져 있는 상기 실리콘튜브(220)를 통과하게 된다.

상기 솔레노이드코일(230)은 도선을 나선형으로 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만들어지고, 전류를 흘리면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 상기 솔레노이드코일(230) 내부에는 동일한 방향으로 비교적 균일한 크기의 자기장이 형성된다. 이때 내부자기장의 크기는 전류의 크기에 비례하고 단위 길이당 감은 수에 비례한다. 즉 전기에너지를 이용하여 전자기장을 발생시켜 상기 자성유체(100)의 방향성을 제어할 수 있고, 그 반대로 상기 자성유체(100)의 자기에너지를 전기에너지로 변환 할 수 있는 에너지 변환장치로 사용 될 수 있다.

따라서, 자성유체가 솔레노이드코일(230)이 감싸져 있는 상기 실리콘튜브(220)를 통과하는 순간 플레밍의 오른손 법칙에 의하여 솔레노이드코일(230)에는 유도기전력이 발생하며, 상기 유도기전력은 축전지(도시되지 않음)에 전달하여 저장할 수 있다.

다른 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 유도발전부(200)의 솔레노이드코일(230)의 외측 주위에 상기 솔레노이드코일(230)을 감쌀 수 있도록 원통형상으로 형성된 영구자석(400)이 구비된다. 이 경우 실리콘튜브(220)내의 자성유체가 상기 영구자석(400)이 설치되어 있는 구간을 통과할 때 상기 영구자석(400)에서 발생되는 자속에 영향을 받아 앞서 설명된 바와 같이 극성 방향이 일치된 상태로 영구자석(400)이 설치되어 있는 구간을 통과하게 됨으로써 상기 유도발전부(200)에서 발전효율을 극대화 할 수 있게 된다.

또다른 실시예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유도발전부(200)의 진입부(210)에 상기 자극방향제어부(300)를 구비하고 아울러 상기 유도발전부(200)의 솔레노이드코일(230)의 외측에 상기 영구자석(400)을 동시에 구비하여, 상기 자극방향제어부(300)가 상기 유도발전부(200)의 진입부(210)에서 상기 자성유체(100)의 방향성을 제어함과 아울러, 상기 영구자석(400)에 의하여 상기 유도발전부(200)의 상기 실리콘튜브(220)의 내부를 통과하는 자성유체(100)의 방향성이 제어됨으로써, 자성유체(100)의 방향성이 상기 유도발전부(200)에 진입하기 전부터 통과할 때까지 지속적으로 제어된다.

그리고 또다른 실시예로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 유도발전부(200)의 솔레노이드코일(230)의 외측 주위에 상기 솔레노이드코일(230)을 감싸고, 상기 유도발전부(200)의 진입부(210) 쪽으로 자속이 강해질 수 있도록 두껍게 원추형상으로 형성되는 원추형 영구자석(500)이 구비된다. 이 경우 상기 유도발전부(200)의 진입부(210)에 위치되는 상기 자성유체(100)의 방향성을 제어함과 동시에 상기 유도발전부(200)의 상기 실리콘튜브(220)의 내부를 통과하는 자성유체(100)의 방향성이 지속적으로 제어된다.

한편, 자성유체의 방향성 제어방법은 1 단계로, 폐열에서 발생하는 열을 나노입자들로 이루어진 자성유체(100)를 열매체로 사용하는 열교환기(150)에서 열교환 시킨다.

2 단계로, 상기 열교환기(150)에서 열교환된 상기 자성유체(100)를 상기 열교환과정에서 발생되는 압력차를 이용하여 열교환기의 출구에서 인출되어 상기 열교환기의 입구측으로 루프를 형성하도록 연결되어 있는 튜브(110)를 통해 순환시킨다.

3 단계로, 상기 튜브(110)의 일측 둘레에 솔레노이드코일(330) 또는 영구자석(400)을 설치하여 상기 자성유체의 극성 방향을 정렬시킨다.

4 단계로, 상기 자성유체의 극성 방향을 정렬한 후 그 인접부위에서 솔레노이드코일(230)을 통해 유도전력을 발생시킨다.

이상에서 설명된 본 발명의 자성유체의 방향성 제어장치와 그 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

[부호의 설명]

100 : 자성유체 110 : 튜브

130 : 펌프 150 : 열교환기

200 : 유도발전부 210 : 진입부

220 : 실리콘튜브 230,330 : 솔레노이드코일

300 : 자극방향제어부 400 : 영구자석

500 : 원추형영구자석

Claims

자성을 띠는 나노입자인 자성유체(100);

상기 자성유체(100)가 통과되는 실리콘튜브(220)와 상기 실리콘튜브(220)의 외측에 상기 자성유체(100)가 상기 실리콘튜브(220) 내측을 통과할 때 유도전력을 발생시키도록 소정구간 권선되는 솔레노이드코일(230)로 구성된 유도발전부(200);

상기 유도발전부(200)의 진입부(210)에 실리콘튜브(220)와 상기 실리콘튜브(220)의 외측에 소정구간 권선되어 전류가 흐르게 되면 자속을 발생시켜 상기 자성유체(100)의 극 방향성이 제어 될 수 있는 솔레노이드코일(330)로 구성된 자극방향제어부(300);

를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자성유체의 방향성 제어장치
자성을 띠는 나노입자인 자성유체(100);

상기 자성유체(100)가 통과되는 실리콘튜브(220)와 상기 실리콘튜브(220)의 외측에 상기 자성유체(100)가 상기 실리콘튜브(220) 내측을 통과할 때 유도전력을 발생시키도록 소정구간 권선되는 솔레노이드코일(230)로 구성된 유도발전부(200);

상기 솔레노이드코일(230)을 감쌀 수 있도록 외측에 원통형상으로 형성되어 상기 솔레노이드코일(230)을 통과하는 자성유체(100)의 극 방향성이 제어 될 수 있는 영구자석(400);

을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자성유체의 방향성 제어장치
제 1항에 있어서,

상기 솔레노이드코일(230)의 외측에는,

상기 영구자석(400); 을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자성유체의 방향성 제어장치
제 2항 또는 제 3항에 있어서,

상기 영구자석(400)은,

상기 유도발전부(200)의 진입부(210) 방향 쪽으로 자속이 강해질 수 있도록 두껍게 원추형상으로 형성되는 원추형영구자석(500)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자성유체의 방향성 제어장치
폐열에서 발생하는 열을 나노입자들로 이루어진 자성유체(100)를 열매체로 사용하는 열교환기(150)에서 열교환시키는 단계;

상기 열교환기(150)에서 열교환된 자성유체를 상기 열교환과정에서 발생되는 압력차를 이용하여 열교환기의 출구에서 인출되어 상기 열교환기의 입구측으로 루프를 형성하도록 연결되어 있는 튜브(110)를 통해 순환시키는 단계;

상기 튜브(110)의 일측 둘레에 솔레노이드코일(330) 또는 영구자석(400)을 설치하여 상기 자성유체(100)의 극성 방향을 정렬하는 단계; 및

상기 자성유체(100)의 극성 방향을 정렬한 후 그 인접부위에서 솔레노이드코일(230)을 통해 유도전력을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자성유체의 방향성 제어방법