KR101122243B1 - 배관 에너지 획득 장치 - Google Patents

배관 에너지 획득 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배관 내에 설치되어 배관을 통해 흐르는 유체의 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 회전 전기자형 배관 에너지 획득 장치에 관한 것이다.
본 발명은 유체 흐름을 가급적 막지 않고 발전 효율을 높일 수 있게 하기 위하여, 그 전체적인 구조가 중공(中孔)의 원통 형상인 배관 에너지 획득 장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 배관 에너지 획득 장치는 내주면에 다수의 날개가 형성되어 있는 중공의 임펠러; 상기 임펠러의 외주면에 고정되어 있는 코일; 상기 코일의 일단에 연결되어 있는 제 1 정류자편과 상기 코일의 타단에 연결되어 있는 제 2 정류자편; 상기 제 1 정류자편 또는 상기 제 2 정류자편과 접촉하도록 설치되어 있는 제 1 브러시와, 상기 제 1 브러시가 상기 제 1 정류자편과 접촉하면 상기 제 2 정류자편과 접촉하고 상기 제 1 브러시가 상기 제 2 정류자편과 접촉하면 상기 제 1 정류자편과 접촉하도록 설치되어 있는 제 2 브러시; 상기 코일과 간격을 두고 있는 자석; 상기 임펠러를 회전 가능하게 하는 베어링; 및 상기 임펠러와 상기 자석을 지지하는 지지대를 포함하여 이루어진다.

Description

배관 에너지 획득 장치{apparatus for harvesting pipe-energy}
본 발명은 배관 에너지 획득 장치에 관한 것으로, 상세하게는 배관 내에 설치되어 배관을 통해 흐르는 유체(상수도, 가스, 냉난방 등)의 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 회전 전기자형 배관 에너지 획득 장치에 관한 것이다.
도시의 지하에는 상수도, 하수도, 가스, 냉난방 등의 다양한 지하 시설물이 존재한다. 이러한 시설물들은 도시의 중요한 기반 시설물이며 첨단 도시시설물 관제를 위해서는 지능화를 통한 실시간 모니터링이 필수적인 시설물들이다. 최근 들어, USN(유비쿼터스 센서 네트워크) 융합 기술을 활용한 시설물의 지능화 기술들이 많이 개발되고 있지만 신/구 시가지의 공동구나 맨홀에 적용되기 위해서는 우선적으로 전원 문제를 해결해야 한다.
기존의 아날로그식 계측기들은 별도의 전원을 필요로 하지 않았고, 근래 들어 개발된 디지털 원격 검침 장치들은 유선 통신과 상시 전원을 활용하기 때문에 전원에 대한 문제가 심각하게 대두되지 않았다. 하지만, 무선을 기반으로 배터리로 동작하는 USN 융합 기기들에 있어서 전원 문제의 해결은 시설물 지능화의 우선적인 과제이다.
본 발명에서 제안된 배관 에너지 획득 장치는 지하 공동구나 맨홀 등의 열악한 환경에서 효과적으로 에너지를 획득하여 USN 시스템의 전원 문제를 극복할 수 있는 장치이다.
도 1 및 도 2는 종래 배관 에너지 획득 장치를 나타낸 도면이다(공개특허공보 제2001-87812호 및 제2009-65502호 참조).
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래 배관 에너지 획득 장치는 배관의 단면에 회전 날개를 설치하고 배관에 흐르는 유체의 힘을 이용하여 발전기를 돌리는 방식이다.
종래 배관 에너지 획득 장치는 배관의 단면에 회전 날개를 설치함으로 인해서 유체의 흐름을 방해하고 응력이 회전 날개의 중심축에 집중되어 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 배관 에너지 획득 장치가 고장 났을 경우 유체의 흐름을 막을 가능성이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 그 전체적인 구조가 중공(中孔)의 원통 형상인 배관 에너지 획득 장치를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 배관 에너지 획득 장치는 내주면에 다수의 날개가 형성되어 있는 중공의 임펠러; 상기 임펠러의 외주면에 고정되어 있는 코일; 상기 코일의 일단에 연결되어 있는 제 1 정류자편과 상기 코일의 타단에 연결되어 있는 제 2 정류자편; 상기 제 1 정류자편 또는 상기 제 2 정류자편과 접촉하도록 설치되어 있는 제 1 브러시와, 상기 제 1 브러시가 상기 제 1 정류자편과 접촉하면 상기 제 2 정류자편과 접촉하고 상기 제 1 브러시가 상기 제 2 정류자편과 접촉하면 상기 제 1 정류자편과 접촉하도록 설치되어 있는 제 2 브러시; 상기 코일과 간격을 두고 있는 자석; 상기 임펠러를 회전 가능하게 하는 베어링; 및 상기 임펠러와 상기 자석을 지지하는 지지대를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 코일, 제 1, 2 정류자편은 상기 임펠러의 외주면에 고정되어 있는 것으로, 상기 임펠러가 회전할 때 같이 회전하는 회전자이다. 또한, 상기 자석, 제 1, 2 브러시는 상기 지지대에 의해 고정되어 있는 고정자이다.
또한, 본 발명의 배관 에너지 획득 장치는, 다수의 상기 코일이 상기 임펠러를 둘러싸고 있는 것임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 배관 에너지 획득 장치는, 다수의 상기 자석이 상기 다수의 코일을 둘러싸고 있는 것임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 배관 에너지 획득 장치는 상기 코일이 감겨있고, 상기 임펠러의 외주면에 부착되어 있는 코어; 및 상기 지지대에 상기 자석을 고정시키는 고정부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 베어링은 상기 임펠러의 상하부에 각각 위치하는 볼 베어링일 수 있다.
또한, 상기 지지대는 고리 형태이고, 상기 임펠러의 상부 및 하부에 각각 위치하며, 상기 고정부가 끼워지는 끼움공이 형성되어 있는 것임을 특징으로 한다.
이상으로, 본 발명의 배관 에너지 획득 장치는 중공(中孔)의 원통 구조이다. 즉, 기존과 비교하여 중심축이 없다 할 것이다. 따라서, 유체의 흐름을 방해하지 않는다는 장점이 있다. 나아가, 고장이 나더라도 유체의 흐름을 막지 아니한다.
또한, 기존의 기술은 응력이 중심축에 집중되는 것인 반면, 본 발명은 응력이 임펠러의 내주면에 형성되어 있는 날개에 골고루 분산될 수 있는 구조이다. 따라서, 기존과 비교하여 발전 효율이 높다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기존과 달리, 발전기(고정자와 회전자)와 임펠러가 일체화되어 모듈이기 때문에, 부가 설비 없이 사용 가능하다는 장점이 있다.
또한, 이러한 일체화 모듈은 배관 내부에 병렬로 설치 가능하다. 따라서, 유연하게 발전 용량을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래 배관 에너지 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 에너지 획득 장치의 외관을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 에너지 획득 장치를 분리하여 보인 도면이다.
도 5는 코일과 정류자편의 연결 관계를 보인 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 배관 에너지 획득 장치의 설치 환경을 보인 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 배관 에너지 획득 장치가 설치 가능한 플랜지의 형태를 보인 도면이다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 배관 에너지 획득 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 에너지 획득 장치의 외관을 보인 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 에너지 획득 장치를 분리하여 보인 도면이며, 도 5는 코일과 정류자편의 연결 관계를 보인 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 배관 에너지 획득 장치(100)는 임펠러(110), 코일(120), 코어(130), 제 1 정류자편(140), 제 2 정류자편(150), 고정부(160), 자석(170), 베어링(180), 지지대(190), 제 1 브러시(200) 및 제 2 브러시(210)을 포함하여 이루어질 수 있다.
임펠러(110)는 그 내주면에 다수의 날개(111)가 형성되어 있고, 그 가운데에 구멍이 형성되어 있는 것이다. 이 구멍을 통해 유체가 임펠러(110)를 관통한다.
코일(120)은 임펠러(110)의 외주면에 고정되어 있는 것이다. 따라서, 임펠러(110) 회전시 같이 회전하게 되는 회전자이다. 특히, 다수의 코일(120)이 임펠러(110)를 둘러싸고 있다.
코어(130)는 코일(120)이 감겨 있는 것이다. 또한, 임펠러(110)의 외주면에 부착되어 있는 것으로서, 임펠러(110) 회전시 같이 회전하게 되는 회전자이다.
제 1 정류자편(140)은 임펠러(110)의 외주면에 부착되어 있는 것이다. 따라서, 임펠러(110) 회전시 같이 회전하게 되는 회전자이다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이 코일(120)의 일단에 연결되어 있는 것이다.
제 2 정류자편(150)은 임펠러(110)의 외주면에 부착되어 있는 것이다. 따라서, 임펠러(110) 회전시 같이 회전하게 되는 회전자이다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이 코일(120)의 타단에 연결되어 있는 것이다.
고정부(160)는 핀 형태로서, 자석(170)을 지지대(190)에 고정시키는 것이다.
자석(170)은 고정자로서, 코일(120)과 간격을 두고 위치하는 것이다. 특히, 다수의 자석(170)이 회전자인 다수의 코일(120)을 둘러싸고 있다. 또한, 자석(170)에는 고정부(160) 즉, 핀이 끼워지는 끼움공(171)이 형성되어 있다.
베어링(180)은 임펠러(110)를 회전 가능하게 하는 것이다. 특히, 볼 베어링으로서 임펠러(110)의 상하부에 각각 위치한다.
지지대(190)는 임펠러(110)와 자석(170)을 지지하는 것이다. 즉, 자석(170)을 고정시키는 기능 및 임펠러(110)의 회전축 기능을 하는 것이다. 특히, 지지대(190)는 고리 형태이고, 임펠러(110)의 상하부에 각각 위치하며, 고정부(160)가 끼워지는 끼움공(191)이 형성되어 있으며, 베어링(180) 즉, 볼 베어링이 삽입되는 삽입홈(192)이 형성되어 있는 것이다.
제 1 브러시(200)는 고정자로서 원호(圓弧) 형태이며, 제 1 정류자편(140) 또는 제 2 정류자편(150)과 접촉하도록 설치되어 있는 것이다. 예컨대, 임펠러(110) 상부에 위치한 지지대(190)의 배면에 부착될 수 있다.
제 2 브러시(210) 또한 고정자로서 원호 형태이며, 제 1 브러시(200)가 제 1 정류자편(140)과 접촉하면 제 2 정류자편(150)과 접촉하고 제 1 브러시(200)가 제 2 정류자편(150)과 접촉하면 제 1 정류자편(140)과 접촉하도록 설치되어 있는 것이다. 즉, 제 2 브러시(210) 또한 지지대(190)에 부착되되, 제 1 브러시(200)가 부착되어 있는 부위의 맞은편에 부착되는 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 배관 에너지 획득 장치의 설치 환경을 보인 도면이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 배관 에너지 획득 장치가 설치 가능한 플랜지의 형태를 보인 도면이다.
본 발명에서 제시된 배관 에너지 획득 장치는 상시 전원을 공급받기 어려운 지하시설물용 USN 융합기기 예컨대, 도 6 및 도 7에 도시한 상수도 유량계의 전원을 보완하거나 대체할 수 있다. 신규/기설 공동구 및 맨홀 환경에서 배관의 유체 흐름을 이용해서 상시 에너지를 획득하여 USN 융합기기에 공급할 수 있다.
본 발명의 특징은 중심축이 없는 임펠러 방식을 사용함에 있다. 따라서, 응력이 골고루 분산되어 기존의 장치에 비해 내구성이 뛰어나고, 유체의 흐름을 적게 방해하는 장점이 있다. 그리고, 발전기와 회전 날개가 일체화된 모듈 구조이므로 부가 설비 없이 사용 가능하며, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 모듈을 병렬화하여 유연하게 발전용량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 배관 에너지 획득 장치는 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
100: 배관 에너지 획득 장치
110: 임펠러
120: 코일
130: 코어
140: 제 1 정류자편
150: 제 2 정류자편
160: 고정부
170: 자석
180: 베어링
190: 지지대
200: 제 1 브러시
210: 제 2 브러시

Claims (7)

  1. 내주면에 다수의 날개가 형성되어 있는 중공의 임펠러;
    상기 임펠러의 외주면에 고정되어 있는 코일;
    상기 코일의 일단에 연결되어 있는 제 1 정류자편과 상기 코일의 타단에 연결되어 있는 제 2 정류자편;
    상기 제 1 정류자편 또는 상기 제 2 정류자편과 접촉하도록 설치되어 있는 제 1 브러시와, 상기 제 1 브러시가 상기 제 1 정류자편과 접촉하면 상기 제 2 정류자편과 접촉하고 상기 제 1 브러시가 상기 제 2 정류자편과 접촉하면 상기 제 1 정류자편과 접촉하도록 설치되어 있는 제 2 브러시;
    상기 코일과 간격을 두고 있는 자석;
    상기 임펠러를 회전 가능하게 하는 베어링; 및
    상기 임펠러와 상기 자석을 지지하는 지지대를 포함하여 이루어진 배관 에너지 획득 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 다수의 상기 코일이,
    상기 임펠러를 둘러싸고 있는 것임을 특징으로 하는 배관 에너지 획득 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 다수의 상기 자석이,
    상기 다수의 코일을 둘러싸고 있는 것임을 특징으로 하는 배관 에너지 획득 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 코일이 감겨있고, 상기 임펠러의 외주면에 부착되어 있는 코어; 및
    상기 지지대에 상기 자석을 고정시키는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 에너지 획득 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 베어링은,
    상기 임펠러의 상하부에 각각 위치하는 볼 베어링인 것임을 특징으로 하는 배관 에너지 획득 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 지지대는,
    고리 형태이고, 상기 임펠러의 상부 및 하부에 각각 위치하며, 상기 고정부가 끼워지는 끼움공이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 배관 에너지 획득 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 브러시와 상기 제 2 브러시는,
    상기 지지대에 부착되어 있는 것임을 특징으로 하는 배관 에너지 획득 장치.
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