KR100952721B1 - 유체 플라이휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전력이 부여되는 다중 구조의 플라이휠에 유체를 충전하여 회전력의 변화에 따라 상기 유체가 이동하면서 플라이휠의 회전에너지를 최대한 연장하여 회전력을 유지시킬 수 있도록 하는 유체 플라이휠에 관한 것으로, 내부로 공간을 형성하는 파이프가 일정한 직경을 갖는 원형의 링 형태로써 유체가 충전될 수 있도록 원형으로 연통되는 저장부가 형성되어 각각 다른 직경을 갖는 복수 개의 회전관을 구비하되, 상기 복수 개의 회전관 직경의 중심이 모두 일치하여 동일한 면으로 정렬되고, 내측 및 외측으로 이웃하는 회전관 사이를 연결하는 이동관을 구비하여 이웃하는 회전관의 저장부가 상기 이동관에 의해 연통되도록 하되, 상기 이동관은 일측 단부로 소정의 탄성력에 의해 유체의 출입을 제어하는 밸브를 형성하여, 상기 회전관의 증속 또는 감속회전으로 발생되는 유체의 회전력에 따라 상기 밸브가 개폐되면서 상기 유체가 각 회전관의 저장부로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

유체, 플라이휠, 풍력발전기, 회전관, 탄성, 관성, 원심력, 회전력

Description

유체 플라이휠{Fluid flywheel}

본 발명은 플라이휠에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전력이 부여되는 다중 구조의 플라이휠에 유체를 충전하여 회전력의 변화에 따라 상기 유체가 이동하면서 플라이휠의 회전에너지를 최대한 연장하여 회전력을 유지시킬 수 있도록 하는 유체 플라이휠에 관한 것이다.

일반적으로 플라이휠은 그 중심부로 동력원으로부터 전달되는 에너지를 회전력으로 전환시키는 샤프트가 결합되고, 상기 전달된 회전력을 균일하게 유지하고 회전속도를 고르게 하기 위해 일정한 반경을 갖는 원형으로 제작된다.

상기 플라이휠은 회전운동을 하는 구동장치에서 회전속도의 변화를 균일하게 하고 회전력에 의한 관성(慣性) 모멘트가 크도록 구성하여, 자동차의 바퀴구조에서 가장 흔하게 활용되고 있다.

근래에는 상기 플라이휠이 자동차의 바퀴구조 외에도 샤프트 축에 연결되어 구동장치에 의해 회전하면서 에너지를 발생시키는 발전장치의 구성요소로도 사용되는데, 특히 풍력을 이용하는 발전기에 있어서, 일측으로 블레이드(날개)가 결합되는 샤프트에 플라이휠을 더 구비하여 상기 블레이드의 회전효율을 높이면서 발전량 이 증가되도록 하고 있다.

그러나 상기 풍력발전기는 자연적으로 발생되는 풍력에 의해 구동됨에 따라 불연속적인 풍속 및 풍향의 변화로 블레이드의 회전속도가 불균일하여 일정한 발전량을 지속적으로 유지시키기 어렵다는 단점이 있다.

상기 풍력발전기 및 회전력을 전달받는 기계적 장치에 구비되는 기존의 플라이휠은 동력원으로부터 전달되는 에너지만큼의 회전력만을 부여받아 회전하고, 동력의 공급이 중지될 경우에는 관성력에 의해 소정 회전한 후 멈추게 된다.

즉, 기존의 플라이휠은 전달되는 동력 에너지만으로 회전력을 유지하면서 회전함과 동시에 에너지가 소모된다는 구성의 한계가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다층 구조를 갖는 플라이휠 내부로 유체를 충전하여 고속 회전시 발생되는 회전 운동에너지가 상기 플라이휠 내부로 저장되도록 하고, 플라이휠에 회전력을 부여하는 동력의 공급이 중단되면 상기 유체에 운동 저장된 에너지가 소정 크기의 관성력으로 작용함으로써 회전력이 최대한 연장되도록 하는 유체 플라이휠을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내부로 공간을 형성하는 파이프가 일정한 직경을 갖는 원형의 링 형태로써 유체가 충전될 수 있도록 원형으로 연통되는 저장부가 형성되어 각각 다른 직경을 갖는 복수 개의 회전관을 구비하되, 상기 복수 개의 회전관 직경의 중심이 모두 일치하여 동일한 면으로 정렬되고, 내측 및 외측으로 이웃하는 회전관 사이를 연결하는 이동관을 구비하여 이웃하는 회전관의 저장부가 상기 이동관에 의해 연통되도록 하되, 상기 이동관은 일측 단부로 소정의 탄성력에 의해 유체의 출입을 제어하는 밸브를 형성하여, 상기 회전관의 증속 또는 감속회전으로 발생되는 유체의 회전력에 따라 상기 밸브가 개폐되면서 상기 유체가 각 회전관의 저장부로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명을 통해 고속 회전시 발생되는 에너지를 회전 영역의 범위를 순차적으로 넓혀가면서 이동하는 유체에 저장하여 회전속도가 감속할 경우, 회전력을 일정 시간 동안 유지할 수 있도록 한다.

특히, 풍력발전기의 블레이드 회전 샤프트 축에 장착하여 상기 블레이드가 고속회전시에는 과도한 구동력을 플라이휠의 외측 회전력으로 저장하면서 정속운전을 유도하고, 저속회전시에는 플라이휠 외측에 저장된 회전력을 구동 샤프트에 공급하여 정속운동을 유도함으로써 불연속적이고 불규칙하게 공급되는 풍속에도 블레이드의 회전수를 최대한 유지하여 전기 발전량을 높일 수 있도록 하는 효과를 얻도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 플라이휠의 개략적인 정단면도이고, 도 2는 상기 유체 플라이휠의 측단면도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 원형의 링 형태로 구비되는 복수 개의 회전관(100)과 상기 복수 개의 회전관(100)을 연결하는 이동관(200)으로 구성된다.

상기 회전관(100)은 내부로 유체가 충전될 수 있도록 저장부(110)가 형성된 일종의 파이프, 중공관(中空管) 형태로써, 일정한 너비의 직경(L)을 갖는 원형의 링 형태로 구비되어 상기 저장부(110)가 단일한 원형으로 연통됨에 따라 충전되는 유체는 흐름의 제약 없이 저장부(110) 내에서 이동이 자연스럽게 유도될 수 있다.

본 발명에서 상기 회전관(100)은 각각 직경(L)의 크기가 다른 복수 개로 구 성하여 각 회전관(100) 직경(L)의 중심이 모두 일치하도록 위치시킨다.

따라서 가장 크게 구비되는 회전관(100)의 직경으로 나머지 회전관(100)이 크기순으로 정렬되며, 이때 서로 이웃하는 회전관(100)은 소정 이격되는 거리를 유지하도록 구성됨이 바람직하다.

도시된 본 발명의 실시예에서는 상기 복수 개의 회전관(100)을 3개로 구성하고, 이하, 설명의 편의를 위해 가장 내측에 위치한 회전관(100)에서부터 크기가 큰 외측방향으로 각각 제1회전관(100a), 제2회전관(100b), 제3회전관(100c)으로 표현하도록 한다.

상기와 같이 구성된 복수 개의 회전관(100)을 각각 내측 또는 외측으로 이웃하는 회전관(100)과 서로 연통되도록 하는 상기 이동관(200)은 한 회전관(100)의 저장부(110)로 충전된 유체가 내측 또는 외측으로 이웃하는 타 회전관(100)으로 이동시, 각 저장부(110)에서 유출되거나 유입되어 통과하도록 하는 이동 경로가 된다.

이때, 상기 이동관(200)은 유체를 유입 및 유출시키는 양방향의 이동 경로 기능을 동시에 수행하는 것이 아니고, 유체가 내측 회전관에서 외측 회전관으로 이동되거나 또는 외측 회전관에서 내측 회전관으로 이동되는 두 가지의 경로 중 하나의 기능만을 수행할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.

따라서 상기 이동관(200)은 복수 개로 구성되어야 하고, 도시된 본 발명의 실시예에서는 이웃하는 회전관(100)을 연결하기 위해 각각 4개의 이동관(200)을 구비하며, 유체의 이동방향에 따라 내측에서 외측으로의 이동을 안내하는 이동관을 유출이동관(200a), 외측에서 내측으로의 이동을 안내하는 이동관을 유입이동관(200b)이라 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 전달되는 동력원으로부터 회전하도록 구성됨에 따라 균일한 회전력을 유지하기 위해 상기 이동관(200)이 등간격으로 원형 배열되어 대칭되는 형태를 이루도록 하며, 도 1에 도시된 상태에서는 수직으로 결합된 상태를 나타내고 있는 이동관이 유출이동관(200a)이고, 수평으로 결합된 상태를 나타내고 있는 이동관이 유입이동관(200b)이 된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 제1회전관(100a), 제2회전관(100b), 제3회전관(100c)이 동일한 중심점을 기준으로 순차적으로 정렬되고, 각 복수 개의 이동관(200)으로 이웃하는 회전관(100)이 서로 연통되도록 구비되어 상기 회전관(100)의 저장부(110)에 유체가 충전될 수 있도록 한다.

이때, 상기 제1회전관(100a) 내지 제3회전관(100c)은 상이한 직경(L)으로 그 크기가 각기 다르게 구성되나, 각 저장부(110)의 체적은 모두 동일하게 구비됨이 바람직하며, 충전되는 유체의 양은 하나의 회전관(100) 저장부(110)의 체적에 대응되는 양만큼만 투입 충전된다.

상기한 본 발명은 외부 동력에 의해 회전하도록 구비되는 샤프트와 결합하여 회전속도의 변화를 균일하게 하고 회전력에 의한 관성(慣性) 모멘트가 크도록 구성하는 유체 플라이휠로써, 외부 동력원이 전기나 기계적 장치로 작동되는 다양한 구동장치 및 설비에 결합하여 사용할 수도 있으나, 가장 바람직하게는 동력의 전달이 일정치 않은 곳에 활용하여 고속 회전시 발생되는 유체의 회전 및 운동에너지를 저 장함으로써 샤프트의 회전력을 최대한 유지시킬 수 있도록 구성한다.

따라서 본 발명은 블레이드의 회전력을 이용하여 전기를 발전시키는 풍력발전기에 상기 유체 플라이휠을 장착하여 자연적으로 공급되는 풍력을 통해 상기 블레이드를 회전시키되, 불연속적이고 불규칙적이며 변화가 심한 풍력의 변동에도 유체의 이동과 회전력을 이용하여 일정시간 균일한 회전수를 유지함으로써 풍력에 의한 전기 발전량을 높일 수 있도록 한다.

상기와 같은 작용을 위해 풍력발전기 블레이드의 회전축이 되는 샤프트(300)에 유체 플라이휠의 가장 내측에 위치한 제1회전관(100a)의 직경(L)이 삽입되어 상기 유체 플라이휠이 장착되고, 이때 제1회전관(100a)의 저장부(110a)에는 유체가 미리 충전되어 있도록 한다.

자연적인 발생으로 전달되는 풍력에 의해 풍력발전기의 샤프트(300)가 회전하게 되면 상기 샤프트(300)에 체결된 유체 플라이휠도 일체로 회전하며, 상기 제1회전관(100a)의 저장부(110a)에 충전된 유체에는 운동에너지 및 원심력이 발생하게 된다.

상기 원심력은 원운동하는 물체에 나타나는 관성력으로, 회전관(100)이 회전하면서 발생되는 원심력이 저장부(110)에 충전된 유체를 이웃한 회전관(100)의 저장부(110)로 이동시키는 역할을 하게 된다.

상기 유체의 이동 과정에 대해서는 바람직한 실시예에 따른 도 3 및 도 4를 통해 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 도 1의 A영역으로 표시된 유출이동관(200a)의 구성을 개략적으로 도 시한 것으로, 이동관(200)은 이웃하는 회전관(100)의 저장부(110)를 연통시키면서 일측 단부로는 유체의 흐름을 제어하는 밸브(210)가 구비되는데, 상기 유출이동관(200a)에는 외측에 위치하는 회전관(100)의 단부측으로 유출밸브(210a)가 형성된다.

즉, 도시된 A영역에서는 제2회전관(100b)과 제3회전관(100c)이 유출이동관(200a)으로 연결되되 제3회전관(100c)이 위치한 유출이동관(200a)의 단부로 소정의 탄성력이 적용되는 유출밸브(210a)가 구비된 것이다.

따라서 평상시에는 도 3a에 도시된 바와 같이 유출밸브(210a)가 닫힌 상태를 유지하게 되지만, 제2회전관(100b)의 저장부(110b)에 유체가 충전된 상태에서 강한 풍력의 전달로 블레이드가 고속 회전하게 되면 상기 유체는 원심력에 의해 유출이동관(200a)으로 투입되고, 상기 유체에 발생되는 원심력이 상기 유출밸브(210a)의 탄성력보다 커지게 되면 도 3b에 도시된 바와 같이 유출밸브(210a)가 개방되어 상기 유체가 제3회전관(100c)의 저장부(110c)로 이동하게 되는 것이다.

도시된 실시예와 같이 3개로 구성된 회전관(100)에 있어서는 초기에 제1회전관(100a)의 저장부(110a)에 충전된 유체가 블레이드의 회전으로 원심력이 작용하여 유출이동관으로 이동하고, 상기 원심력이 유출밸브의 탄성력보다 커지는 순간 상기 유출밸브가 개방되어 제2회전관(100b)의 저장부(110b)로 유입된다.

상기 제2회전관(100b)의 저장부(110b)로 이동된 유체는 블레이드의 회전속도가 일정할 경우 그 위치를 그대로 고수하여 상기 제2회전관(100b)으로 충전된 상태를 유지하며, 강한 풍력으로 인해 블레이드의 회전속도가 증가하게 되면, 상기 유 체는 동일한 원리를 통해 제3회전관(100c)의 저장부(110c)로 이동하게 된다.

상기와 같이 충전된 유체가 제1회전관(100a)에서 제3회전관(100c)으로 이동하는 과정에 있어서, 상기 유체는 회전영역이 순차적으로 커지면서 회전속도의 증가에 따른 회전력과 운동에너지를 흡수하고 회전관(100)의 저장부(110)로 충전된 상태를 유지함으로써 샤프트(300)의 회전속도 및 구동력을 일정하고 균일하게 유지할 수 있도록 한다.

도 4는 도 1의 B영역으로 표시된 유입이동관(200b)의 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 상기 유입이동관(200b)에는 내측에 위치하는 회전관(100)의 단부측으로 유입밸브(210b)가 형성된다.

즉, 도시된 B영역에서는 제2회전관(100b)과 제3회전관(100c)이 유입이동관(200b)으로 연결되되, 제2회전관(100b)이 위치한 유입이동관(200b)의 단부로 소정의 탄성력이 적용되는 유입밸브(210b)가 구비된다.

지속적인 고속 회전으로 인해 상기 유체가 제3회전관(100c)의 저장부(110c)에 충전된 상태에서는 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 유입밸브(210b)가 닫힌 상태로 유지되고, 풍속의 변화로 블레이드의 회전속도가 감소하게 되면, 상기 유체는 유입이동관(200b)으로 투입되어 도 4b에 도시된 바와 같이 유입밸브(210b)가 개방되면서 제2회전관(100b)의 저장부(110b)로 이동하게 된다.

다시 상기 제2회전관(100b)의 저장부(110b)로 충전된 유체는 블레이드의 회전속도에 따라 충전 상태를 유지하거나, 제1회전관(100a) 또는 제3회전관(100c)으로 이동하면서 회전력을 유지시키도록 한다.

이때, 상기 유입이동관(200b)에 형성된 유입밸브(210b)는 닫힌 상태만을 겨우 유지할 수 있을 정도로 탄성력을 매우 작게 하여 유체의 유입시 무게에 의하여 쉽게 열릴 수 있는 구조를 갖도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 이동관(200)은 최단 거리로 형성되기 위해 각 회전관(100)과 수직으로 결합된 일체식으로 구성되나, 샤프트(300)의 회전방향이 한 방향으로 일정할 경우에는, 원심력과 구심력에 의해 작용되는 유체의 운동 방향에 대응하여 상기 유체의 이동을 원활하게 하기 위해 사선의 형태로도 구비될 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 일정량의 유체가 충전될 수 있도록 독립된 개체로 구비되는 회전관(100)을 다중으로 결합하여 전달되는 풍력에 따라 상기 충전된 유체에 원심력이 부여됨으로써 상기 유체를 외측으로 위치한 회전관(100)으로 이동하게 하여 고속회전으로 증가되는 에너지를 저장하게 하고, 불규칙적으로 전달되는 풍력의 특성상 블레이드의 회전속도가 감소되면 상기 유체에 저장된 회전 운동에너지가 블레이드 및 샤프트(300)에 관성력으로 작용하여 일정 시간 동안 회전이 유지되도록 하는 에너지로 소모되면서 회전수를 최대한 증가시킬 수 있도록 한다.

즉, 풍력발전기의 구성에 있어서 블레이드가 고속회전하게 되면 과도한 구동력을 플라이휠의 외측 회전력으로 저장하면서 정속운전을 유도하고, 저속회전시에는 상기 플라이휠 외측에 저장된 회전력을 블레이드 구동 샤프트에 공급하여 정속운동을 유도함으로써 전기 발전량을 높이고 에너지를 재생하는 효과를 얻도록 한다.

여기서 상기 유체의 종류는 한정되지 않되, 충전되는 회전관(100)과 반응하 지 않는 내부식성이 좋고, 상기 회전관(100)의 회전력과 관성력을 크게 하기 위해 비중이 큰 재질로 충전됨이 유리하다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 플라이휠의 개략적인 정단면도.

도 2는 상기 유체 플라이휠의 개략적인 측단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유출이동관의 구성을 보이기 위한 도 1 A영역의 상세도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유입이동관의 구성을 보이기 위한 도 1 B영역의 상세도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100a. 제1회전관

100b. 제2회전관

100c. 제3회전관

110. 저장부

200. 이동관

200a. 유출이동관

200b. 유입이동관

210a. 유출밸브

210b. 유입밸브

300. 샤프트

Claims (4)

1. 내부로 공간을 형성하는 파이프가 일정한 직경을 갖는 원형의 링 형태로써 유체가 충전될 수 있도록 원형으로 연통되는 저장부(110)가 형성되어 각각 다른 직경을 갖는 복수 개의 회전관(100)을 구비하되, 상기 복수 개의 회전관 직경의 중심이 모두 일치하여 동일한 면으로 정렬되고,

   내측 및 외측으로 이웃하는 회전관 사이를 연결하는 이동관(200)을 구비하여 이웃하는 회전관의 저장부가 상기 이동관에 의해 연통되도록 하되,

   상기 이동관은 복수 개로 구비되되, 상기 유체를 내측의 회전관에서 외측의 회전관으로 이동시키는 유출이동관(200a)과, 외측의 회전관에서 내측의 회전관으로 이동시키는 유입이동관(200b)으로 구성되며,

   상기 유출이동관 및 유입이동관의 일측 단부에는 각각 소정의 탄성력에 의해 유체의 출입을 제어하는 유출밸브(210a) 및 유입밸브(210b)를 형성하여, 상기 회전관의 증속 또는 감속회전으로 발생되는 유체의 회전력에 따라 상기 유출밸브 및 유입밸브가 개폐되면서 상기 유체가 각 회전관의 저장부로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 플라이휠.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 복수 개로 구성되는 회전관의 각 저장부는 모두 동일한 체적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 플라이휠.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수 개의 회전관 중 최내측으로 구비되는 회전관의 직경으로 풍력발전기의 블레이드 회전축이 되는 샤프트를 삽입 결착하여 풍력에 의해 회전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 플라이휠.

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