KR20170092342A - 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 상기 발전 시스템은 압축 공기를 공급 및 분리하여 저온 공기와 고온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브; 및 상기 보텍스 튜브로부터 공급받는 고온 공기를 바탕으로 제백 효과(Seeback Effect)를 이용하여 전력을 생성하는 발전기를 포함한다.

Description

보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템{Power generating system using vortex tube}
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
산업 현장에서 사용되는 모터, 모터 구동용 인버터, 태양광 인버터, 에너지 저장 시스템(EES: Electrical energy storage) 등의 장치는 구동 시 열을 발생시킨다.
이와 같이 장치가 구동하면서 발생되는 열은 장치의 성능 저하, 수명 감소, 동작 정지 등을 초래하기 때문에, 장치를 효율적으로 냉각시키기 위한 시스템의 개발이 지속적으로 요구되는 실정이다.
따라서, 산업 현장에는 냉각을 위한 다양한 장치가 마련되며, 냉각 장치로서 보텍스 튜브(vortex tube)가 이용되고 있다.
상기 보텍스 튜브는 공급되는 압축공기를 바탕으로 고온 공기와 저온 공기를 발생시키는 장치로서, 보텍스 튜브에 의해 발생되는 저온 공기가 냉각을 위하여 이용된다.
이와 같이, 종래에는 보텍스 튜브로부터 발생되는 저온 공기를 열을 발생시키는 장치를 냉각시키는데 이용하였으나, 고온 공기는 대기중으로 배출시킴으로써 에너지 활용이 낮다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템은, 압축 공기를 공급 및 분리하여 저온 공기와 고온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브; 및 상기 보텍스 튜브로부터 공급받는 고온 공기를 바탕으로 제백 효과(Seeback Effect)를 이용하여 전력을 생성하는 발전기를 포함한다.
상기 발전기는, 상기 보텍스 튜브로부터 고온 공기를 공급받는 열 교환기; 상기 열 교환기의 온도보다 낮은 온도를 갖는 저온 냉각핀; 및 상기 열 교환기와 상기 저온 냉각핀 사이에 배치되어, 상기 열 교환기의 온도와 상기 저온 냉각핀의 온도 사이에 차이가 발생하는 경우에 전력을 생성하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
상기 열 교환기는 배관형 열 교환기 또는 핀형 열 교환기일 수 있으며, S자관형 열 교환기 또는 달팽이관형 열 교환기일 수 있다.
상기 열 교환기는, 밀폐형 케이스; 및 상기 밀폐형 케이스 내에 교대로 적층되는 기둥과 원판을 포함할 수 있다.
상기 기둥은 원통형이고, 공기 유동 방향과 수직하게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 열 교환기는 상기 밀폐형 케이스 내측면 혹은 내측면에 인접하게 공기가 이동하는 방향과 동일한 방향으로 마련되는 유동 가이드를 더 포함할 수 있다.
상기 보텍스를 이용한 발전 시스템은 상기 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 보텍스를 이용한 발전 시스템은 보텍스 튜브로부터 저온 공기를 공급받아 발열부를 냉각시키는 전기기기를 더 포함할 수 있다.
상기 전기기기는 상기 저장부에 저장된 전력을 공급받아 동작할 수 있다.
종래에는 보텍스 튜브로부터 발생되는 고온 공기가 대기중으로 방출되어 낭비되었으나, 본 발명의 경우에는, 보텍스 튜브로부터 발생되는 고온 공기가 열전 소자를 포함하는 발전기로 공급된다.
따라서, 열전 소자로 고온 공기가 공급됨에 따라, 열전 소자는 전력을 생산하게 된다. 즉, 보텍스 튜브로부터 발생되는 고온 공기를 이용하여 전력을 생성하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발전 시스템의 발전기의 구성을 도시한 구성도이다.
도 3a은 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기가 S자관형 열 교환기인 경우의 일례를 도시한 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기가 달팽이관형 열 교환기인 경우의 일례를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기가 핀형 열 교환기인 경우의 일례를 도시한 측면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 열 교환기의 평면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템의 구성 및 동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템(100, 이하 ‘발전 시스템’)은 압축기(110), 보텍스 튜브(120), 발전기(130), 전기기기(140), 및 저장부(160)로 구성될 수 있으며, 발전 시스템(100)의 구성이 본 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 도 1에 도시되지 않은 구성을 더 포함할 수 있음을 물론이다.
상기 압축기(110)는 압축 공기를 보텍스 튜브(120)로 공급하기 위해 마련되는 것으로, 압축 공기의 온도 및 압력에 따라 보텍스 튜브(120)로부터 발생되는 저온 공기 및 고온 공기의 온도가 달라질 수 있다.
따라서, 상기 압축기(110)에 의해 공급되는 압축 공기의 온도 및 압력은 발전 시스템(100)의 용도, 설치 환경에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
상기 보텍스 튜브(120)는 Ranque-Hilsch vortex tube라고 불리기도 하는 것으로, 압축기(110)로부터 공급되는 압축 공기를 바탕으로 고온 공기와 저온 공기를 발생시킨다.
상기 보텍스 튜브(120)에 대한 구체적인 형상 및 설계 제반사항은 사용 목적 및 설치 환경에 따라 당업자가 적절하게 선택할 수 있는 것으로서, 본 실시 예에서는 보텍스 튜브(120)를 한정하는 것은 아니며, 기 공지되어 있는 다양한 보텍스 튜브들 중에서 선택될 수 있다.
이때, 상기 보텍스 튜브(120)로부터 발생된 저온 공기는 냉각을 필요로 하는 전기기기(140)를 냉각시키는데 이용될 수 있다. 상기 전기기기(140)는 모터 구동용 인버터, 태양광 인버터, 에너지 저장 시스템(EES: Electrical energy storage) 등 냉각이 필요한 장치가 될 수 있다.
한편, 상기 보텍스 튜브(120)로부터 발생된 고온 공기는 발전기(130)로 공급되어, 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
상기 발전기(130)는 보텍스 튜브(120)로부터 공급되는 고온 공기를 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 상기 발전기(130)는 열전 효과(Thermoelectric Effect) 특히 제백 효과(Seeback Effect)를 이용하여 전력을 생산하며, 생산된 전력을 부하(150)로 제공하여, 부하(150)를 구동시킬 수 있다.
상기 저장부(160)는 발전기에서 생산된 전력을 저장한다. 저장부(160)에 저장된 전력은 상기 전기기기(140)나 부하(150)를 구동하는 전원으로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 제벡 효과(Seeback Effect)는 2 종류의 금속을 접합하여 폐회로를 만들고 두 접합점 사이에 온도차를 주었을 때 열 기전력이 발생되어 전류가 흐르는 현상을 말하는 것으로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 발전 시스템의 구성에 대해서 살펴보았다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 발전기의 구성에 대해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발전 시스템의 발전기의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 발전기(200)는 상기 발전기(200)는 도 1의 보텍스 튜브(120)로부터 공급되는 고온 공기를 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 열전 효과(Thermoelectric Effect), 특히 제백 효과(Seeback Effect)를 이용하여 전력을 생성한다.
구체적으로, 상기 발전기(200)는 열 교환기(210), 열전 소자(220), 저온 냉각핀(230)으로 구성되며, 열전 소자(220)가 열 교환기(210)와 저온 냉각핀(230) 사이에 배치된다.
상기 열 교환기(210)는 도 1의 보텍스 튜브(120)로부터 고온 공기를 공급받아 열전 소자(220)로 열을 공급하는 한편, 온도가 낮아진 공기를 배출한다.
이때, 상기 열 교환기(210)는 배관형 열 교환기이거나, 핀형 열 교환기일 수 있으며, 상기 열 교환기(210)의 구조에 대해서는 후술하도록 한다.
상기 열전 소자(220)는 열 교환기(210)와 저온 냉각핀(230) 사이에 위치하여, 열 교환기(210)의 온도와 저온 냉각핀(230)의 온도 사이에 차이가 발생하는 경우에 전력을 생산한다.
즉, 상기 열전 소자(220)는 열전 효과를 이용하여 전력을 생성하는데, 열전 소자(220)를 이용한 전력을 생성하는 원리는 기 공지된 것으로서, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 열전 소자(220)는 생성된 전력을 이용하여 부하를 구동할 수 있으므로, 보텍스 튜브로부터 생성된 고온 공기를 이용하여 전력을 생성하여 부하를 구동하는 것이 가능하다.
상기 저온 냉각핀(230)은 열 교환기(210)의 온도보다 낮은 온도를 갖는 구성으로서, 열 교환기(210)의 온도보다 낮은 온도를 열전 소자(220)로 제공하게 되며, 상온의 온도를 열전 소자(220)로 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 발전 시스템의 발전기의 구성에 대해서 살펴보았다. 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기의 구조에 대해서 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3a은 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기가 S자관형 열 교환기인 경우의 일례를 도시한 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기가 달팽이관형 열 교환기인 경우의 일례를 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기가 핀형 열 교환기인 경우의 일례를 도시한 측면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 열 교환기의 평면도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 열 교환기는 배관형 열 교환기이거나, 핀형 열 교환기일 수 있으며, 이외 다른 형상으로도 구현 가능함은 물론이다.
도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 상기 열 교환기(310)가 배관형 열 교환기인 경우, 상기 열 교환기(310)는 공기의 유동 길이를 늘이는 방법을 이용하여 열 교환을 이루는 방식으로서, 열 교환 효과가 좋으나, 유동 관(311)의 길이가 늘어날수록, 유동 관(311)의 직경이 작아질수록 유동 저항이 커져 보텍스 튜브의 효과에 영향을 미칠 수 있으므로, 열 교환기(310) 내에 설치되는 유동 관(311)의 길이와 직경을 당업자가 적절하게 조절할 필요가 있다.
한편, 유동 관(311)의 형태에 따라, 상기 열 교환기(310)는 도 3a에 도시된 바와 같이 S자관형 열 교환기이거나, 도 3b에 도시된 바와 같이 달팽이관형 열 교환기일 수 있다.
이때, S자관형보다 달팽이관형인 경우에 열교환기의 온도 분포를 고르게 하는 효과가 높으나, 유동 저항이 커져 효율은 낮아질 수 있으므로, 유동 관(311)의 길이와 직경은 보텍스 튜브의 성능에 따라 결정하는 것이 바람직하다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 열 교환기(410)가 핀형 열 교환기인 경우, 상기 열 교환기(410)는 밀폐형 케이스(411), 그리고 밀폐형 케이스(411) 내에 교대로 적층되는 기둥(412)과 원판(413)을 포함하여 구성될 수 있으나, 상기 열 교환기(410)의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 밀폐형 케이스(411) 내의 하단에 기둥(412)이 마련되고, 그 위에 원판(413)이 마련되며, 다시 원판(413)에 기둥(412)이 마련되는 적층 구조로 열 교환기(410)가 이루어진다.
이때, 상기 밀폐형 케이스(411)는 열전달 효율이 낮고, 단열 효과가 큰 재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기둥(412)은 다수 개일 수 있으며, 공기의 유동이 원활하게 이루어질 수 있도록 원통형으로 형성되는 것이 바람직하며, 공기 유동 방향과 수직하게 배치하여, 열이 열전 소자(220)로 효율적으로 전달될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이에 더하여, 밀폐형 케이스(411) 내로 공급되는 공기가 원활하게 이동할 수 있도록, 밀폐형 케이스(411) 내측면에 혹은 내측면에 인접하게 유동 가이드(414)가 마련될 수 있다.
이때, 상기 유동 가이드(414)는 밀폐형 케이스(411) 내로 공급된 공기가 이동하는 방향과 동일한 방향으로 마련되며, 최외곽에 위치하는 기둥(412)과 밀폐형 케이스(411) 사이에 마련될 수 있다.
종래에는 보텍스 튜브로부터 발생되는 고온 공기가 대기중으로 방출되어 낭비되었으나, 본 발명의 경우에는, 보텍스 튜브로부터 발생되는 고온 공기가 열전 소자를 포함하는 발전기로 공급된다.
따라서, 열전 소자로 고온 공기가 공급됨에 따라, 열전 소자는 전력을 생산하게 된다. 즉, 보텍스 튜브로부터 발생되는 고온 공기를 이용하여 전력을 생성하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템의 구성 및 이의 동작 방법을 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 발전 시스템 110 : 압축기
120 : 보텍스 튜브 130, 200 : 발전기
210, 310, 410 : 열 교환기 220 : 열전 소자
230 : 저온 냉각핀 311 : 유동 관
411 : 밀폐형 케이스 412 : 기둥
413 : 원판 414 : 유동 가이드

Claims (10)

  1. 압축 공기를 공급받아 분리하여 저온 공기와 고온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브; 및
    상기 보텍스 튜브로부터 공급받는 고온 공기를 바탕으로 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는,
    상기 보텍스 튜브로부터 고온 공기를 공급받는 열 교환기;
    상기 열 교환기의 온도보다 낮은 온도를 갖는 저온 냉각핀; 및
    상기 열 교환기와 상기 저온 냉각핀 사이에 배치되어, 상기 열 교환기의 온도와 상기 저온 냉각핀의 온도 사이에 차이가 발생하는 경우에 전력을 생성하는 열전 소자를 포함하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 배관형 열 교환기 또는 핀형 열 교환기인 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 S자관형 열 교환기 또는 달팽이관형 열 교환기인 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환기는,
    밀폐형 케이스; 및
    상기 밀폐형 케이스 내에 교대로 적층되는 기둥과 원판을 포함하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기동은 원통형이고, 공기 유동 방향과 수직하게 배치되는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 상기 밀폐형 케이스 내측면 혹은 내측면에 인접하게 공기가 이동하는 방향과 동일한 방향으로 마련되는 유동 가이드를 더 포함하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 저장부를 더 포함하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보텍스 튜브로부터 저온 공기를 공급받아 발열부를 냉각시키는 전기기기를 더 포함하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전기기기는 상기 저장부에 저장된 전력을 공급받아 동작하는 보텍스 튜브를 이용한 발전 시스템.
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