KR101078311B1 - 배관을 흐르는 유체를 이용한 동력발생장치 및 이를 이용한 발전 장치 - Google Patents

Abstract

배관과 이 배관 내에 설치되며, 배관 내를 흐르는 유체에 의해 회전되는 회전장치를 구비하는 동력발생장치와 이 동력발생장치에 전기자와 계자를 추가하여 여 이루어지는 발전장치가 개시된다. 배관 내의 회전장치를 이루는 회전체는 배관 방향과 같은 방향을 바라보도록 설치된 원판과, 원판의 주변부에 방사상으로 돌출되어 배관 방향을 따라 흐르는 공기 흐름이 있으면 이 공기의 흐름에 의해 움직여 회전체가 한 회전 방향으로 회전하도록 하는 복수 개의 핀을 구비하여 이루어지며, 인접한 복수개의 회전체에서 서로 대향된 두 원판에 전기자와 계자를 설치하여 발전장치를 구성하고, 두 회전체의 회전방향을 반대가 되도록 핀의 형성방향을 조절할 수 있다.
따라서, 유체가 흐르는 배관 내에 유체압을 이용한 회전장치를 설치하되, 배관의 형태와 회전장치의 형태를 통해 배관 내부에 설치되는 회전장치의 유체압 이용 효율을 높일 수 있고, 동력발생장치 및 이를 이용한 발전 장치의 효율을 높일 수 있다.

Description

배관을 흐르는 유체를 이용한 동력발생장치 및 이를 이용한 발전 장치{apparatus for power generation using flowing fluid in piping and elelctric power generator using the same}

본 발명은 동력발생장치 구조 및 이를 이용한 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배관을 흐르는 유체를 이용하여 가동되는 동력발생장치 및 발전 장치의 구조에 관한 것이다.

유체의 흐름 혹은 유체의 압력을 이용하여 기계적인 움직임을 만드는 장치로는 풍차나 수차와 같은 동력발생장치가 있고, 이들 회전 장치의 움직임은 발전기에 연결되어 발전에 이용될 수 있다.

이렇게 발전 등에 이용되는 동력발생장치의 구조에 대해서는 기존에 많은 유형이 알려져 있다.

풍차는 공기의 흐름 즉 바람에 의해 회전력을 발생시키는 장치의 일반적 명칭으로 풍력 터어빈 등으로 지칭될 수 있다. 공기의 흐름은 위치에 따라 공기의 압력의 차이가 생겨 발생하는 것으로 풍차는 공압을 이용한 회전장치, 즉, 공압 회전장치라고 할 수 있다.

풍차는 크게 회전 가능하게 고정된 축부분과 축 주변에 바람을 잘 받도록 형성된 날개 혹은 핀(fin: 이하 날개와 핀은 서로 혼용하여 사용하기로 함) 부분을 구비하여 이루어진다. 풍차의 날개는 대개 크고 형태를 잘 유지하게 만들 수 있도록 가볍고 강한 재질을 사용할 필요가 있고, 동시에 전체 무게를 가볍게 하기 위해 얇은 두께를 가지도록 한다. 또한, 날개가 공기의 흐름 가운데 있으면 바람을 잘 받을 수 있도록 날개면은 얇고 넓게 만들어진다. 그러나, 매우 강한 바람에 의해 풍차가 훼손될 수 있으므로 최대 한계치를 고려하여 날개 면의 넓이와 두께등이 제한될 필요가 있다.

풍력 발전에 많이 사용되는 수평축 풍차를 예로 들면, 날개면은 바람이 불어오는 정면을 기준으로 할 때 전체적으로는 정면을 향하지만 정확하게는 정면에 대해 다소 틀어진 사면 혹은 뒤틀림면을 이루게 된다. 따라서, 날개가 바람을 받으면 공기가 날개의 면을 따라 미끄러지면서 공기 흐름의 방향을 바꾸어 측방향 성분을 가지도록 한다. 그리고 그 반작용으로 날개는 그 측방향과 반대편으로 이동하게 되고 이러한 이동이 날개를 날개가 붙어있는 축을 중심으로 회전하도록 한다.

이러한 통상의 풍차는 대기중에 노출되어 바람을 받아 회전하도록 이루어지나, 특정한 상황, 특정한 주변 구조에서는 바람의 방향이나 바람의 패턴이 정하여져 그에 적합한 구조의 풍차를 제작할 필요가 있다.

가령, 배관 내의 공기 흐름 혹은 공압을 이용하는 풍차의 경우, 배관의 직경에는 제한이 있고, 배관에 풍차를 설치하는 것도 그 구조가 번거로울 수 있으므로 배관 내의 공기 흐름을 충분히 이용할 수 있도록 기존의 구조와 구조를 달리하는 풍차 구조가 필요하게 된다.

또한, 유체 내에서도 물과 같은 액체는 공기와 특성의 차이가 있으므로 팬(fan)의 형태와 구조는 달라질 수 있지만 이러한 풍차에 대한 논의는 수차에 있어서도 마찬가지로 적용될 수 있을 것이다.

본 발명은 배관에 흐르는 유체를 이용하여 동력을 인출함에 있어서 유체 흐름 혹은 유체 압력을 기계적 동작으로 변환시키는 효율을 높일 수 있는 동력발생장치 및 이러한 동력발생장치를 구비한 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 회전체와 이 회전체 주위 배관을 포함하며, 배관 내를 흐르는 유체의 흐름을 적절히 이용하면서 그 내부에 설치되어 회전력을 얻어내는 효율을 높일 수 있는 구조를 가지는 동력발생장치 및 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 배관내의 유체 흐름을 이용할 수 있도록 통상의 배관에 비해 배관 자체의 구성을 변화시키고, 이런 변화된 구성의 배관에 설치하기에 적절한 구조를 가지는 동력발생장치 및 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 동력발생장치는 배관과 이 배관 내에 설치되며, 배관 내를 흐르는 유체에 의해 회전되는 회전장치를 구비하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 동력발생장치에서 배관은 유체가 흐르는 순서 및 회전장치의 설치 위치를 기준으로 전방 배관, 회전장치 설치부, 후방 배관으로 구분될 수 있고, 회전장치 설치부의 전, 후단은 각각 전방 배관과 후방 배관에 연결된다. 회전장치 설치부는 관경이 상, 하부 배관에 비해 좁아져서 밴튜리 구조를 이루어 회전체의 핀에 작용하는 압력을 높일 수 있다.

본 발명에 의하면, 동력발생장치에서 배관 내의 회전장치를 이루는 회전체는 상기 배관 방향과 같은 방향으로 이격 배열된 복수의 원판과, 이들 원판 각각의 주변부(혹은 원주 상)에 방사상으로 돌출되어 배관 방향을 따라 흐르는 공기 흐름이 있으면 이 공기의 흐름에 의해 움직여 회전체가 한 회전 방향으로 회전하도록 하는 복수 개의 핀을 구비하여 이루어진다.

가령, 원주를 따라 복수 개가 배열되는 핀(fin)은 전체적으로 면상구조를 가지며 원판과 같은 (혹은 평행한) 평면에서 그 평면을 지나는 핀축(원판면의 중심에서 방사상으로 뻗은 가상의 축을 포함한다)을 중심으로 일부 회전하거나 뒤틀려 경사를 이루며, 핀이 핀축을 중심으로 회전하는 방향은 하나의 회전체에서 동일하게 이루어질 수 있다.

혹은, 핀은 상기 복수 개의 핀 각각은 전체적으로 면상구조를 가지며 상기 원판의 중심에서 원주를 향도록 뻗는 방사 방향을 길이 방향으로, 원판과 연결된 부분이 이루는 선을 폭방향이라고 할 때, 상기 폭방향은 상기 원판의 원판면과 경사지게 형성되어 상기 배관 방향의 유체 흐름에 대해 상기 회전체가 한 회전 방향으로 회전하도록 이루어진다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전장치는 이상의 본 발명의 동력발생장치 구성에 전기자와 계자가 더 구비되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 발전장치는 배관 방향과 같은 방향으로 배열된 복수의 원판에 전기자와 계자가 부가되어 이루어질 수 있다. (계자를 이루는 전자석이 원판의 빈 부분에 부착되어 비로소 원판을 형성하게 되는 경우도 포함한다.)

본 발명의 발전장치에서, 동력발생장치의 회전체에는 전기자와 계자 가운데 적어도 하나가 설치되도록 한다. 이때, 회전체의 열린부분과 반대편의 원판의 원판면에 전기자와 계자 가운데 하나가 설치되면, 나머지 하나는 인접한 다른 회전체의 원판의 원판면에 설치되거나, 회전체를 배관 내에서 회전 가능하게 지지하는 회전중심축에 고정된 별도의 원판의 원판면에 설치될 수도 있다.

복수의 원판에 전기자와 계자가 번갈아 가면서 혹은 이와 다른 순서로 설치되어 상대적으로 회전하면서 전기자에 기전력이 유기되도록 할 수 있다. 이때, 전기자가 설치된 원판면 바로 위나 아래의 원판면 가운데 하나에는 계자가 설치되도록 하는 것이 바람직하며, 이 경우, 전기자가 설치된 원판면과 계자가 설치된 원판면은 회전 방향이 핀의 설치 방향을 조절하여 서로 반대가 되어 전기자와 계자의 상대속도가 크도록 한다. 이때, 원판은 전기자와 계자의 설치위치에 따라 자성체 혹은 비자성체로 이루어질 수 있다. 통상적으로는 전기자와 계자 사이에는 자성체 원판이 개재되어 쉴드 역할을 하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

회전체의 핀이나 원판의 원주 부분에 자석들을 배관 벽체를 면하도록 배열하여 계자가 설치된다면 배관벽체에는 코일을 자석과 면하도록 설치하고 결선하여 전기자를 설치할 수도 있다. 전기자와 계자의 위치를 서로 바꾸는 것도 가능하며, 회전장치의 설치부가 밴튜리 구조를 형성할 때 벽체에 설치되는 계자 혹은 전기자는 이 목부를 이루는 부분에 상하 배관 벽체에 비해 돌출되게 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면 유체가 흐르는 배관 내에 유체압을 이용한 회전장치를 설치함으로써 배관 내의 유체 흐름을 적절히 이용할 수 있고, 배관의 형태와 회전장치의 형태를 통해 배관 내부에 설치되는 회전장치의 유체압 이용 효율을 높일 수 있으므로, 배관이라는 특정한 환경에서 동력발생장치 및 이를 이용한 발전 장치의 효율을 높일 수 있다.

도 1 은 본 발명 동력발생장치의 회전장치 구성에 사용될 수 있는 회전체 형태를 나타내기 위한 사시도,
도2 및 도3은 본 발명 동력발생장치의 다른 한 실시예에서 배관 및 회전장치의 구성을 투시적으로 나타내는 사시도 및 정면도,
도4는 본 발명 발전장치의 다른 한 실시예에서 회전장치를 이루는 한 회전쌍과 그에 설치된 계자를 나타내는 사시도,
도5는 본 발명의 발전장치를 형성하기 위해 회전체의 원판면에 전기자와 계자가 설치되는 구성의 예를 나타내는 사시도이다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명 동력발생장치의 회전장치 구성에 사용될 수 있는 회전체 형태를 나타내기 위한 사시도이다.

배관 길이 방향과 같은 방향의 가상의 회전중심축을 가지는 회전체(620)는 배관의 길이 방향을 마주보는 원판을 구비한다. 원판에는 복수 개의 핀(622)이 원주를 따라 배열된다. 핀(622)의 면은 대략 직사각형 형태로 이루어지며, 곡면이나 평면을 포함할 수 있다. 원판면의 방사 방향을 핀(622)의 길이 방향으로, 원판과 핀(622)이 연결된 변의 방향을 폭방향으로 하고, 방사 방향의 핀축이 핀의 길이 방향 일 변을 지난다고 할 때, 핀의 폭 방향은 원판면에서 이 방사 방향의 핀축을 중심으로 어느 정도 틀어져 원판면과의 사이에 경사 각도를 가진다.

이때, 복수 개의 핀(622)은 핀축을 중심으로 모두 같은 방향으로 틀어져 배관을 따라 흐르는 유체에 의해 모두 하나의 방향 즉, 시계방향 혹은 반시계방향으로 이동하므로 회전체가 이 방향으로 회전하도록 한다. 핀과 원판이 연결된 부분은 핀의 폭방향 변을 이루며 이 변은 직선을 이룰 수도 있지만 바람을 받아 회전하는 효율을 높이기 위해 유체와 먼저 접하는 전방측 일단에서 후방측인 타단으로 갈수록 그 위치에서의 접선 방향이 원판면과 이루는 각도가 작아지도록 이루어진 곡선일 수 있다.

도2 및 도3은 본 발명 동력발생장치의 일 실시예를 나타내는 투시적 사시도 및 정면도이고, 도4는 도 2와 같은 동력발생장치 구조 및 이용한 발전장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.

본 실시예에서 동력발생장치의 배관은 회전장치의 설치 위치를 기준으로 전방 배관(510), 회전장치 설치부(520), 후방 배관(530)으로 구분된다. 회전장치 설치부의 전, 후단은 각각 전방 배관(530)과 후방 배관(510)에 연결되며, 회전장치 설치부(520)는 관경이 전, 후방 배관에 비해 좁아져서 밴튜리 구조를 이루어 회전체의 핀에 작용하는 압력을 높이도록 되어 있다. 회전장치 설치부에는 회전장치를 이루는 4개의 회전체(610, 620, 630, 640)가 도면상의 아래에서 위쪽으로 배관 방향으로 배치된다. 이들 회전체는 배관 내에 고정설치된 중심축(543)에 회전가능하게 설치되어 있다.

이러한 실시예에서 회전장치는 제트기관의 제트 터어빈과 유사한 형태를 가지고 있으며, 한정된 배관의 관경에 따라 유체의 압력을 받는 핀의 면적이 제한되므로 실효성을 가지기 위해서는 높은 유체압이 인가되는 곳에서 사용되는 것이 적합하다.

중심축(543)에는 회전장치에서 도면상 바로 위와 바로 아래에서는 직경이 넓고, 위쪽 및 아래쪽으로 가면서 직경이 좁아져 원뿔형 혹은 꼬깔모자 형태로 보이는 공기흐름 유도용 캡이 구비되어 있다.

이 전방 캡 및 후방 캡의 캡의 첨단에서 각각 전방 및 후방으로 연장된 부분에서 중심축(543)은 배관 벽체에서 배관 중심으로 뻗은 복수의 유도핀에 고정되어 회전가능하게 된다. 유도핀은 배관의 내부에 있지만 유선형으로 형성되어 공기의 유통에 많은 방해가 되지는 않도록 한다.

도4를 참조하면, 배관 내의 회전장치를 이루는 회전체쌍의 회전체(610, 620)는 상기 배관 방향과 같은 방향으로 이격 배열되며 상기 배관 방향을 맞서 바라보는 2개의 원판면과, 이들 원판면 각각의 주변부에서 방사상으로 돌출되어 원주를 따라 복수 개가 배열되는 핀(fin: 612, 622)을 구비하여 이루어진다.

이때, 핀(612, 622)은 대략 직사각형의 면상구조(곡면과 평면을 포함함)를 가지며 원판면과 같은 평면에서 그 평면을 지나는 핀축을 중심으로 일부 회전하거나 뒤틀려 경사를 이루며, 핀이 핀축을 중심으로 회전하는 방향은 동일한 회전체에서 동일하여 배관 방향을 따라 흐르는 공기 흐름이 있으면 핀은 이 공기의 흐름에 의해 움직여 회전체가 한 회전 방향으로 회전하게 된다.

그리고, 인접한 이들 회전체에서 도면의 아래쪽에 있는 전방 회전체(610)의 핀(612)이 핀축 주변으로 회전된 방향과 위쪽의 후방 회전체(620)의 핀(622)이 핀축 주변으로 회전된 방향은 서로 반대로 되어 상하의 핀들은 방향이 서로 엇갈리도록 되어 있으므로 이들 인접한 회전체의 회전 방향은 서로 반대가 된다.

전방 회전체의 원판면에 계자가 설치되면 후방 회전체의 원판면에는 전기자(도1의 625)가 설치된다. 회전체가 더 많아져서 가령, 4개가 된다면, 아래에서 위쪽으로 배치된 회전체 원판의 원판면에는 계자(613)와 전기자가 번갈아 가면서 설치되거나 혹은 혹은 전기자 - 계자 - 계자 - 전기자와 같이 상하 대칭적으로 설치된다. 상하 대칭으로 설치될 수 있으며, 전기자가 설치된 원판면 바로 위나 아래의 원판면 가운데 하나에는 계자가 설치되어 있다. 전기자가 설치된 원판면과 계자가 설치된 원판면은 회전 방향이 핀의 설치 방향을 조절하여 서로 반대가 되므로 전기자와 계자의 상대속도가 크게 되어 하나의 회전체쌍에서 더 큰 기전력을 얻을 수 있도록 이루어진다.

배관을 따라 아래에서 위로 상향하는 공기 흐름은 배관의 벤튜리 구조와 중심축의 원뿔 구조를 가진 유도용 캡에 의해 회전체의 핀(612,622) 부분에 집중된다. 공기의 높은 압력에 의해 전방 회전체(610)와 후방 회전체(620)는 서로 반대 방향으로 빠르게 회전한다. 전기자와 계자가 이들 회전체의 원판면에 도5에 나타난 것과 유사한 형태로 설치된다면 전기자를 이루는 코일에는 기전력이 발생한다.

도5는 본 발명의 발전장치를 형성하기 위해 회전체의 원판면에 전기자와 계자가 설치되는 구성의 예를 나타낸다. 즉, 전방측 원판(710)에는 도시된 것과 같이 계자가 설치될 수 있다. 계자는 부채꼴로 나뉘어져 극성을 번갈아 가면서 원주 방향으로 원판면에 고정 설치된 자석(713)들로 이루어진다. 계자는 전자석에 의해 이루어질 수도 있지만 영구자석으로 이루어지는 것이 구조상 간편하다. 후방 회전체의 원판(720) 상면에는 전기자가 설치된다. 전기자는 부채꼴로 감긴 다수의 코일(725)을 서로 결선하여 이루어질 수 있다. 가령, 3상 유도 발전기의 경우, 결선 방법으로 도면에 나타난 것과 같은 Y형 스타 결선이나 혹은 Δ결선 등을 사용할 수 있다. 원판은 전기자와 계자의 설치위치에 따라 자성체 혹은 비자성체로 이루어질 수 있으며, 여기서는 비자성체로 형성하여 쉴드 역할을 하지 않도록 한다.

3상 유도 발전의 경우, 전기자의 서로 다른 3 단자(726)에 걸리는 기전력은 중심축(543)과 지지대를 통해 외부로 인출될 수 있다. 가령, 도시되지 않지만, 중심축 내에는 동심축 상의 세 도전체 실린더 부분이 있어서 이들이 절연체에 의해 서로 이격되고, 배관 벽체에 설치되어 중심축을 지지하는 지지대와 중심축이 서로 연결된 부분에서는 이들 세 도전체 부분이 단을 달리하면서 부분적으로 노출된다(가령, 제일 외측 도체 실린더가 제일 아래쪽에, 제일 내측 도체 실린더가 제일 위쪽에 중심축을 두르는 링 형태로 노출된다). 지지대에도, 노출된 세 도전체 실린더 부분을 각각 슬라이드 가능하게 감싸는 3개의 링과 이들 링에 연결되며 서로 절연된 세 도선이 있다. 세 도선은 배관 외부의 3개의 접속 단자와 각각 연결된다.

전기자의 3 단자(726)와 중심축(543)을 연결하면서 전기자와 함께 회전하는 브릿지 막대가 있다면 브릿지 막대와 중심축의 세 도전체 실린더 부분도 중심축과 지지대가 만나는 형태와 동일한 방식으로 연결될 수 있다. 이로써 전기자의 3 단자에 인가되는 기전력은 브릿지, 3 도전체 실린더, 지지대, 외부 단자의 순서로 외부로 인출될 수 있다.

도시된 예와 달리, 단순한 직류 발전의 경우, 가령, 전기자에는 코일을 모두 직렬로 연결하여 그 두 끝단이 이루는 두 단자에 걸리는 기전력은 중심축에 설치된 횡으로 분리된 두 도체 부분과 중심축이 지지대와 연결된 부분에 설치된 브러쉬 구조를 통해 외부 단자로 인가될 수 있다.

이상과 같이 전기자의 각 단자의 전압을 외부로 인출하는 인출구조는 주로 중심축의 구조와 지지대의 구조를 이용하여 이루어질 수 있지만 이상의 실시예는 본원 발명의 구성을 제한하는 것이 아니며, 별도의 인출구조를 가질 수도 있다. 이러한 발전기의 단자 전압의 인출 구조는 기존의 발전 구조에서 다양하게 이루어지고 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한　것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

510: 전방 배관 520: 회전장치 설치부
530: 후방 배관 543: 중심축
610, 620, 630, 640: 회전체 547: 유도핀
612, 622: 핀(fin) 613: 계자
625: 전기자 710, 720: 원판
713: 자석 725: 코일
726: 단자

Claims (5)

1. 배관과, 상기 배관 내에 설치되는 회전장치를 가지며,
   상기 배관은 유체의 흐르는 순서 및 상기 회전장치의 설치 위치를 기준으로 전방 배관, 회전장치 설치부, 후방 배관으로 구분되고,
   상기 회전장치는 배관 방향과 마주보면서 상기 배관 방향으로 배열된 복수 개의 회전체를 구비하여 이루어지고,
   상기 회전체는 상기 배관 방향을 마주보는 원판과, 상기 원판의 주변부에 방사상으로 돌출되어 배관 방향을 따라 흐르는 공기 흐름에 의해 움직여 상기 회전체가 회전하도록 하는 복수 개의 핀을 구비하고,
   상기 복수의 회전체 가운데 서로 인접한 두 회전체로 이루어지는 회전체쌍에서 상기 두 회전체의 핀의 형성방향이 달라서 상기 두 회전체는 서로 반대방향으로 회전하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 동력발생장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수 개의 핀(fin)은 전체적으로 면상구조를 가지며, 상기 원판과 평행한 평면에서 상기 핀을 지나도록 상기 원판의 중심에서 방사상으로 뻗은 핀축(가상의 핀축을 포함하는 개념임)을 기준으로 회전하거나 뒤틀려 상기 원판의 원판면과 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 동력발생장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전장치 설치부는 상기 전방 배관 및 상기 후방 배관에 비해 관경이 줄어들어 상기 배관에서 벤튜리 구조를 이루며,
   상기 배관 내에 상기 복수 개의 회전체가 회전 가능하게 고정되는 회전중심축에는 상기 복수 개의 회전체 전방 및 후방으로 상기 배관을 흐르는 유체를 상기 핀 쪽으로 유도하는 유도용 캡이 설치되는 것을 특징으로 하는 동력발생장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 가운데 하나의 동력발생장치와,
   전기자 및 계자를 구비하여 이루어지며,
   상기 회전체에는 상기 전기자 및 상기 계자 가운데 하나가 설치되는 것을 특징으로 하는 발전장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 회전체쌍에서 상기 두 회전체 가운데 하나의 원판에는 전기자가 설치되고, 다른 하나의 원판에는 계자가 설치되는 것을 특징으로 하는 발전장치.

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