KR101110059B1 - 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 학교 또는 각종 교육 기관에서 학생 및 일반인들에게 초전도체의 원리와 자석에 의해 추진되는 자기부상열차를 용이하게 이해시키기 위한 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트에 관한 것이다. 구체적으로 상기 교육용 자기부상열차 키트는 고무자석 및 네오디뮴 자석이 덮개 하부에 수납되어 있고 일부분이 상향으로 경사진 레일, 액화질소가 수용되어 있으며 상기 덮개와 대향되는 하부에는 액화질소와 접하도록 초전도체가 설치되는 차량, 상향으로 경사진 레일 상에 설치되어 상기 차량을 활강시켜 추진력을 제공하는 추진장치 및 상기 추진장치로 전원을 공급하는 전원부를 포함하여 구성된다.

초전도체, 강자석, 액화질소, 레일, 차량

Description

초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트{MAGNETIC LEVITATION TRAIN KIT USING SUPERCONDUCT}

본 발명은 학교 또는 각종 교육 기관에서 학생 및 일반인들에게 초전도체의 원리와 자석에 의해 추진되는 자기부상열차를 용이하게 이해시키기 위한 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트에 관한 것이다.

일반적으로 자기부상열차는 초전도체와 자석에 의해 레일 상부에 부상하게 되고, 초전도체의 무저항 성질을 통해 고속 주행이 가능하며 실용화를 위한 연구가 가속화되고 있는 실정이다.

그러나 상기 자기부상열차에 대한 사람들의 관심이 높아지고 있지만, 상기 자기부상열차의 원리를 초, 중, 고등학생이나 일반인들에게 쉽게 이해시키기 위한 교육용 시스템은 거의 갖춰지고 있지 않다.

뿐만 아니라 상기 자기부상열차의 구조가 복잡함에 따라 교육용으로 제작하기 위한 모형 자기부상열차 역시 그 구조가 난해하여 교육자가 쉽게 설명하기 어려운 부분이 발생하게 되고, 모형 자기부상열차를 제작함에 있어서도 복잡한 구조로 인해 제작 비용도 상승하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자기부상열차의 원리와 구조에 대하여 일반인 또는 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 하여, 이에 대한 호기심을 충족시킬 수 있는 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트는 교육용 모형 자기부상열차 키트에 있어서, 길이방향을 따라 상부가 개방되는 수납공간과 상기 수납공간에 수납되는 고무자석 및 네오디뮴 자석과 상기 수납공간의 상부에 결합되는 덮개로 구성되며, 일부분이 상향으로 경사진 레일; 액화질소가 수용되는 수용공간이 형성되며 상기 덮개와 대향되는 하부에는 상기 수용공간과 일부가 접할 수 있도록 초전도체가 설치되는 차량; 구동력을 전달하는 모터, 상기 모터와 연결되어 회전하며 상기 경사진 레일 상에서 동일한 기울기로 배치되는 컨베이어 벨트, 상기 컨베이어 벨트에 부착되는 복수의 추진판 및 상기 차량이 인입하는 위치에 구비되고 인입되는 차량을 감지하여 상기 모터를 동작시키는 센서로 구성되며 상기 레일 상에 설치되는 추진장치; 및 상기 추진장치에 설치되어 모터로 전원을 공급하는 전원부;를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.

상기 레일은 복수의 단위 블록으로 구성되며 결합수단에 의해 각 단위 블록이 결합되는 것일 수 있다.

하나의 예로 상기 레일의 결합수단은 상기 단위 블록의 일측 단부에 내측으로 함몰되는 결합공 및 상기 결합공과 이격되며 외측으로 돌출되는 결합돌기가 형성되고, 타측 단부에는 인접하는 타 단위 블록과 결합되도록 상기 결합공 및 결합돌기가 대칭으로 형성되는 것일 수 있다.

이때 상기 결합공의 내주연에는 그 둘레를 따라 돌출되는 걸림턱이 형성되고, 상기 결합돌기의 외주연에는 그 둘레를 따라 상기 걸림턱과 대응하는 걸림홈이 형성되는 것일 수 있다.

또 다른 예로 상기 레일의 결합수단은 상기 단위 블록의 일측 양측면에 각기 고리가 장착되고, 타측 양측면에는 상기 고리와 결합 가능한 구조를 갖는 걸쇠가 각기 장착되는 것일 수 있다.

한편 상기 레일의 수납공간은 그 양단부에 이탈 방지턱이 형성되는 것일 수 있다.

또한 상기 레일의 고무자석 및 네오디뮴 자석은 복수로 구성되어 수납되되, 인접하는 자석 간의 극성이 서로 대응하도록 배치되는 것일 수 있다.

상기 차량은 그 재질이 발포 폴리스티렌(expanded polystyrene)이며, 상기 수용공간으로 액화질소를 주입하기 위한 주입구가 형성될 수 있다.

상기 전원부는 상기 추진장치의 모터로 공급되는 전원을 제어하기 위한 스위치가 구비될 수 있다.

상기 추진장치는 상기 차량이 인입하는 위치에 구비되고 인입되는 차량을 감지하여 상기 모터를 동작시키는 센서를 더 포함하여 구성되는 것일 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트는 초전도체와 강자석을 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트로, 학생이나 일반인이 상기 모형 자기부상열차 직접 조립 및 작동시켜봄으로써 초전도체와 자기부상열차의 원리에 대한 이해도를 높일 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명의 실시예을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트의 전체적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트의 레일과 차량을 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레일을 설명하기 위한 분해 사시도이다. 또한 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량을 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 구성인 레일의 제 1실시예에 따른 결합수단을 설명하기 위한 도면이다. 또한 도 6은 본 발명의 일 구성인 레일의 제 2실시예에 따른 결합수단을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추진장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 구성인 레일의 회전형 형태를 나타내는 도면이다.

본 발명은 교육용 모형 자기부상열차 키트에 관한 것으로, 초전도체를 통한 초전도 현상 즉, 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 0(Zero)에 가까워지는 현상으로 내부의 자기장을 밖으로 밀어내는 성질에 따라 자기부상하게 되고, 추진장치(30)를 통해 부상한 차량(20)을 추진하여 레일(10) 상에서 주행시킬 수 있는 교육용 모형 자기부상열차 키트이다.

상기 교육용 모형 자기부상열차 키트를 이루는 구성으로서 도 1에 도시된 바와 같이 레일(10), 차량(20), 추진장치(30) 및 전원부(40)를 포함하게 된다.

상기 레일(10)은 상기 차량(20)의 하부와 인접되어 자력에 의해 상기 차량(20)을 부상시키기 위해 그 내부에 복수의 자석(12, 13)이 적층으로 배치된다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 상기 레일(10)은 그 길이방향을 따 상부가 개방되는 수납공간(11)이 형성된다. 상기 수납공간(11)의 상부면에는 고무 자석(12)이 배치되고 그 상부로는 강자석이 배치되는데 바람직하게는 상기 강자석은 네오디뮴(Nd) 자석(13)을 사용한다. 상술한 바와 같이 서로 네오디뮴 자석(13)을 포함한 서로 다른 자석들을 적층 배치함에 따라 자기장의 배열을 고르게 하고, 더욱 강한 자기장을 발생시키는바, 이는 차량(20)에 설치되는 초전도체(23)의 완전반자성 성질에 의해 부상 높이를 더욱 높일 수 있게 된다.

여기에서 상기 고무 자석(12) 및 네오디뮴 자석(13)은 복수로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 세 개로 분리되어 배열된다. 이때 상기 복수의 자석(12, 13)은 인접하는 자석 간의 극성이 서로 대응되도록 배치된다.

예를 들면 상기 복수의 네이디뮴 자석(13)은 N극, S극, N극의 순서로 배열되 거나, S극, N극, S극으로 설치되는 등 각기 배열되는 순서에 따라 자석의 극성을 달리하여 배치한다. 또한 상기 네이디뮴 자석(13)의 하부로 배치되는 고무 자석(12) 또한 상기 네이디뮴 자석(13)과 동일한 배열 순서를 갖도록 설치된다.

한편 상기 수납공간(11)의 개방된 상부로는 상기 자석(12, 13)들이 이탈하지 못하도록 덮개(14)가 결합되고, 이와 함께 추가적으로 상기 자석(12, 13)들의 이탈을 방지하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 상기 레일(10)의 수납공간(11) 양단부에는 그 테두리를 따라 이탈 방지턱(15)이 돌출 형성되어 있다.

또한 상기 레일(10)의 일부분은 상향으로 경사지게 구성된다. 이는 하기에서 설명할 추진장치(30)가 배치되는 부분으로, 레일(10)의 일부분을 경사지게 구성함으로써 상기 차량(20)이 활강(滑降)에 의한 추진력을 제공받기 위함이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상술한 레일(10)은 복수의 단위 블록으로 구성되며 이들의 결합은 결합수단에 의해 이루어질 수 있다. 그 일 예를 도 5를 참조하여 설명하면 상기 단위 블록의 일측 단부에 내측으로 함몰되는 결합공(110) 및 상기 결합공(110)과 이격되며 외측으로 돌출되는 결합돌기(100)가 형성되고, 타측 단부에는 인접하는 타 단위 블록의 단부와 결합되도록 상기 결합공(110) 및 결합돌기(100)가 대칭으로 형성되어 있다.

이때 결합되는 복수의 단위 블록은 결속력을 더욱 향상시킬 수 있도록 걸림턱(101) 및 걸림홈(102)이 형성된다. 상기 걸림턱(101)은 상기 결합공(110)의 내주연에 그 둘레를 따라 돌출 형성되고, 상기 걸림홈(102)은 상기 결합돌기(100)의 외주연에 그 둘레를 따라 상기 걸림턱(101)과 대응하는 홈이 형성된다.

이처럼 복수의 단위 블록으로 구성되는 상기 레일(10)은 상술한 결합공(110) 및 결합돌기(100)로 이루어지는 결합수단에 의해 용이하게 탈부착 가능함은 물론, 서류가방 정도에 분리된 레일(10)들과 차량(20), 추진장치(30)가 들어갈 수 있어 이동이 용이하고 보관 역시 수월해지는 이점이 발생한다.

또한 상기 레일(10)은 단위 블록으로 구성이 되어 원하는 형태로 제작이 가능하다. 그 일 예로, 상기 레일(10)의 단위 블록은 도 8에 도시된 바와 같이 회전형 레일로 제작될 수도 있다.

상기 회전형 레일에서 (A)구간은 자속 고정력을 실험할 수 있는 공간이라 할 수 있다. 상기 자속 고정력이란 위치를 유지하도록 하는 특성을 말하는데, 상기 차량(20)이 상기 레일(20)에 거꾸로 매달려도 자속 고정력에 의해 떨어지지 않고 이동이 가능하다.

도 6은 상기 결합수단의 다른 예를 설명하기 위한 것으로, 상기 단위 블록의 일측 양측면에는 각기 고리(120)가 장착된다. 또한 타측의 양측면에는 상기 고리(120)와 결합 가능한 구조를 갖는 걸쇠(130)가 각기 장착되어, 인접하는 타 단위 블록과 고리(120) 및 걸쇠(130)를 통해 결합 및 고정된다.

상기 고리(120) 및 걸쇠(130)의 구조 및 형상은 다양하게 표현될 수 있으므로 도 6에 도시된 것에 의해 본 발명의 고리(120) 및 걸쇠(130)가 한정되는 것은 아니다.

한편 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량(20)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 내부에 수용공간(21)이 형성된다. 상기 수용공간(21)에는 초전도 현 상을 발생시키기 위한 액화질소가 수용되며, 상기 레일(10)의 덮개(14)와 대향되는 하부에는 상기 수용공간(21)과 초전도체(22)의 일부가 접하도록 설치된다. 이때 상기 초전도체(22)는 절대온도 77K 이상의 액체질소에서 초전도 현상이 발생되는 고온초전도체이다.

따라서 상기 초전도체(22)는 상기 차량(20) 내의 액화질소로부터 절대온도 77K 이상을 전달받게 되어 자기장이 투과되지 않고 자기장을 외부로 밀어내는 마이스너 현상(Meissner effect)이 유지되어 상기 레일(10)로부터 자기 부상된다.

상기 차량(20)의 재질은 경량을 사용하여 상기 레일(10)을 주행함에 있어 중력에 의한 저항을 덜 받도록 하는데, 바람직하게는 상기 차량(20)의 재질은 발포 폴리스티렌(expanded polystyrene)일 수 있다.

또한 상기 차량(20)은 도 4에 도시된 바와 같이 그 상부에 상기 수용공간(21)으로 액화질소를 주입하기 위한 주입구(23)가 형성되어 있다.

이처럼 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 차량(20)은 강자석(13)과 초전도체(22)를 이용하여 레일(10) 상부에 부상하고 추진장치(30)를 통해 상기 차량(20)을 활강시켜 그에 따른 동력으로 추진되어 레일(10) 상에서 주행하게 된다.

도 7을 참조하여 상기 추진장치(30)를 구체적으로 설명하면, 상기 추진장치(30)는 외부로부터 전원을 공급받아 구동력을 전달하는 모터(31) 및 상기 모터(31)와 연결되어 회전하는 컨베이어 벨트(32)가 구비된다. 이때 상기 컨베이어 벨트(32)는 상기 레일(10)의 경사진 부분 상에서 동일한 기울기를 갖도록 배치된다. 또한 상기 컨베이어 벨트(32)에는 상기 차량(20)을 추진시키기 위한 복수의 추 진판(33)이 소정의 간격으로 부착된다.

상기 추진장치(30)에는 상기 모터(31)로 전원을 공급하기 위한 전원부(40)가 설치되며, 전원부(40)에는 상기 모터(31)로 전원을 공급 및 차단시키기 위한 스위치(41)가 구비된다.

또한 상기 추진장치(30)는 상기 차량(20)이 들어오는 입구 위치에 구비되고 인입하는 차량(20)을 감지하기 위한 복수의 센서(34)가 장착된다. 상기 센서(34)는 차량의 인입을 감지하고 상기 전원부(40)와 연동되어 상기 모터(31)를 작동시키게 된다.

상술한 구성을 포함하는 상기 추진장치(30)는 차량(20)이 상기 추진장치(30)의 전단으로 인입되어 센서(34)에 의해 감지되면 상기 모터(31)가 구동되어 경사진 컨베이어 벨트(32)가 회전하게 된다. 회전하는 상기 컨베이어 벨트(32)에 부착된 상기 추진판(33)은 회전력에 의해 인입하는 차량(20)의 후미를 추진시키게 되고, 상기 차량(20)은 경사진 레일(10)을 타고 활강하게 됨으로써 레일(10)을 주행하게 된다. 이후, 상기 컨베이어 벨트(32)는 반 바퀴 또는 한 바퀴가 회전하여 상기 차량(20)을 다시 추진시킬 수 있도록 정위치 한다.

이와 같은 동작을 반복함으로써 자기부상중인 상기 차량(20)은 상기 추진장치(30)를 통해 추진력을 얻어 연속적으로 레일(10)을 주행하게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명 의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

도 1은 본 발명 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트의 전체적인 구성을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트의 레일과 차량을 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레일을 설명하기 위한 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량을 설명하기 위한 단면도.

도 5는 본 발명의 일 구성인 레일의 제 1실시예에 따른 결합수단을 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 발명의 일 구성인 레일의 제 2실시예에 따른 결합수단을 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추진장치를 설명하기 위한 도면.

도 8은 본 발명의 일 구성인 레일의 회전형 형태를 나타내는 도면.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 레일 11 : 수납공간

12 : 고무 자석 13 : 네오디뮴 자석

14 : 덮개 15 : 이탈 방지턱

20 : 차량 21 : 수용공간

22 : 초전도체 23 : 주입구

30 : 추진장치 40 : 전원부

Claims (11)

1. 길이방향을 따라 상부가 개방되는 수납공간과 상기 수납공간에 적층되는 고무자석 및 네오디뮴 자석과 상기 수납공간의 상부에 결합되는 덮개로 구성되며 일부분이 상향으로 경사진 레일과, 액화질소가 수용되는 수용공간이 형성되며 상기 덮개와 대향되는 하부에는 상기 수용공간과 일부가 접할 수 있도록 초전도체가 설치되어 상기 레일 상부에 인접하여 주행하는 차량을 포함하여 구성되는 교육용 모형 자기부상열차 키트에 있어서,

   상기 경사진 레일 상에서 동일한 기울기로 배치되는 컨베이어 벨트, 상기 컨베이어 벨트와 연결되어 회전력을 제공하는 모터, 상기 컨베이어 벨트에 부착되어 상기 차량을 추진시키기 위한 복수의 추진판 및 상기 차량이 인입하는 위치에 구비되고 인입되는 차량을 감지하는 센서를 포함하는 추진장치 및

   상기 센서의 차량 감지신호에 따라 모터로 전원을 공급하며, 공급되는 전원을 제어하기 위한 스위치가 구비되는 전원부를 더 포함하며,

   상기 레일은 복수의 단위 블록으로 구성되며 결합수단에 의해 각 단위 블록이 결합되는 바, 상기 결합수단은 상기 단위 블록의 일측 단부에 내측으로 함몰되는 결합공 및 상기 결합공과 이격되며 외측으로 돌출되는 결합돌기가 형성되고, 타측 단부에는 인접하는 타 단위 블록과 결합되도록 상기 결합공 및 결합돌기가 대칭으로 형성되며, 상기 결합공의 내주연에는 그 둘레를 따라 돌출되는 걸림턱이 형성되고 상기 결합돌기의 외주연에는 그 둘레를 따라 상기 걸림턱과 대응하는 걸림홈이 형성되며,

   상기 레일의 각 고무자석 및 네오디뮴 자석은 각각 복수로 분리 구성되며 인접하는 자석 간의 극성이 서로 교차하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 레일의 결합수단은

   상기 단위 블록의 일측 양측면에 각기 고리가 장착되고, 타측 양측면에는 상기 고리와 결합 가능한 구조를 갖는 걸쇠가 각기 장착되는 것을 특징으로 하는 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 레일의 수납공간은 그 양단부에 이탈 방지턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 차량은 그 재질이 발포 폴리스티렌(expanded polystyrene)인 것을 특징으로 하는 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 차량은 상기 수용공간으로 액화질소를 주입하기 위한 주입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도체를 이용한 교육용 모형 자기부상열차 키트.
10. 삭제
11. 삭제

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