KR101247586B1 - 일원추진체 기반 소형 공압 구동기 - Google Patents

일원추진체 기반 소형 공압 구동기 Download PDF

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본 발명에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기는, 일원추진체가 수용되어 있는 일원추진체 저장 용기와, 상기 일원추진체의 반응에 필요한 촉매가 제공되는 반응기와, 상기 일원추진체 저장 용기의 일원추진체를 상기 반응기로 토출하는 인젝터와, 반응기에서 일원추진체의 화학 반응에 의해 발생하는 열이 전달되어 전기를 발생하도록 제공되는 열전 소자와, 상기 반응기에서 발생한 기체가 공급되는 공압 탱크와, 상기 공압 탱크로부터 공급되는 공압에 의해 회전하는 로터 및 상기 로터의 회전에 의해 전기 발생이 가능하도록 제공되는 자석을 포함하는 발전부와, 상기 공압 탱크로부터 상기 발전부로의 공압 공급을 제어하는 제어부와, 상기 로터의 출력축에 의해 구동되는 줄꼬임 구동부와, 상기 열전 소자와 상기 발전부로부터 생성되는 전기를 충전하며 상기 인젝터와 상기 제어부에 전력을 공급하는 충전부를 포함한다.

Description

일원추진체 기반 소형 공압 구동기{Monopropellant-Based Maso-Scale Pneumatic Actuator}
본 발명은 일원추진체 기반 소형 공압 구동기에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 에너지 재활용이 가능하며 줄꼬임 메커니즘을 적용한 소형 공압 구동기에 관한 것이다.
공압 구동기는 무게 대비 출력이 높고 반응 속도가 빨라서 여러 분야에 적용이 가능한 장점이 있다. 그러나 공압 구동기를 작동시키기 위해서는 압축 공기를 생성할 수 있는 컴프레서가 필수적인데, 컴프레서는 부피가 크고 무거우며 나아가 소음이 심하기 때문에 공압 구동기의 사용은 상당히 제한적으로만 가능하였다.
특히 로봇 등의 소형 기계 장치에 적용하기 위해서는 큰 출력, 작은 크기, 대변위의 스트로크와 같은 조건을 만족해야 하는데 종래의 공압 구동기는 적용하기에 적절하지 않았다.
그러한 문제를 해결하기 위해 제안된 공압 구동기의 일례로서 일원추진체 기반의 공압 구동기가 제안된 바 있다. 2003년 6월에 발간된 IEEE TRANSACTIONS ON MECHATRONICS VOL 8, NO. 2의 254쪽-262쪽에 게재된 "Design and Energetic Characteraization of a Liquid-Propellant-Powered Actuator for Self-Powered Robots에서는 도 3과 같은 일원추진체 기반의 공압 구동기가 개시되어 있다.
도 3에 도시된 종래 기술의 일원추진체 기반의 공압 구동기는, 일원추진체 저장 용기(110)와, 공압 탱크(120)와, 구동기(130)를 포함한다. 일원추진체 저장 용기(110) 내에는 일원추진체(200)와, 압축 불활성 기체(250)가 혼재한다. 일원추진체(200)로는 주로 과산화수소가 사용된다. 일원추진체 저장 용기(110)와 공압 탱크(120) 사이에는 밸브(140)와, 반응기(150)가 개재(介在)한다. 밸브(140)는 일원추진체가 반응기(150)로 유입하는 유입량을 조정하며, 반응기(150)에는 촉매가 내부에 제공되어, 과산화수소가 일원추진체로 사용되는 경우에 반응기(150) 내에서는 다음과 같은 반응식에 의해 화학 반응이 일어난다. 이때 반응기(150) 내의 촉매로는 이산화망간이 사용되는 것이 바람직하다.
H2O2 --> 2H2O(l) + O2(g), △H = -196.1kJ/mol
위 반응에서 발생한 기체(H2O는 증기의 형태로 존재)가 공압 탱크(120)에 저장되다가 제어부(190)의 제어에 의해 제1 유입 경로(162) 또는 제2 유입 경로(164)로 구동기에 유입되어 피스톤(170)을 왕복운동시켜서 구동기 역할을 수행한다.
이 종래 기술에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기에서는, 상기 발생하는 열로 인해 인체에 착용하는 기구에는 적용하기가 곤란하며, 통상의 피스톤-실린더 구동 기구를 채택하기 때문에 출력이 크지 않은 단점이 있었다. 그리고 종래 기술에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기에 사용되는 밸브(140)의 소비 전력이 높아서 큰 용량의 배터리가 필요하고 밸브 자체의 크기도 커서 휴대성이 안 좋은 단점이 있었고, 일원추진체 저장 용기(110)에 일원추진체를 밀어내기 위해 압축 불활성 기체가 제공되기 때문에 저장 용기(110)의 크기가 커져서 역시 휴대성이 나빠진다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 일원추진체 기반 공압 구동기의 문제점을 해결하여 휴대성을 높이고, 발생하는 열을 저감시키며 큰 출력을 발생시킬 수 있는 일원추진체 기반 공압 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기는, 일원추진체가 수용되어 있는 일원추진체 저장 용기와, 상기 일원추진체의 반응에 필요한 촉매가 제공되는 반응기와, 상기 일원추진체 저장 용기의 일원추진체를 상기 반응기로 토출하는 인젝터와, 반응기에서 일원추진체의 화학 반응에 의해 발생하는 열이 전달되어 전기를 발생하도록 제공되는 열전 소자와, 상기 반응기에서 발생한 기체가 공급되는 공압 탱크와, 상기 공압 탱크로부터 공급되는 공압에 의해 회전하는 로터 및 상기 로터의 회전에 의해 전기 발생이 가능하도록 제공되는 자석을 포함하는 발전부와, 상기 공압 탱크로부터 상기 발전부로의 공압 공급을 제어하는 제어부와, 상기 로터의 출력축에 의해 구동되는 줄꼬임 구동부와, 상기 열전 소자와 상기 발전부로부터 생성되는 전기를 충전하며 상기 인젝터와 상기 제어부에 전력을 공급하는 충전부를 포함한다.
상기 인젝터의 일실시예는, 상기 저장용기에서 이동하여 일원추진체를 상기 반응기측으로 토출시키는 피스톤 부재와, 상기 피스톤 부재를 구동하는 모터를 포함한다.
본 발명에 의하면, 반응기에서 발생하는 열을 전기로 변환하는 열전 소자와, 공압에 의해 회전하여 전기를 발생시키는 발전부에 의해서 충전이 가능하므로 별도의 고전력 배터리가 필요하지 않기 때문에 크기의 소형화 및 에너지 재활용이 가능하며, 나아가 줄꼬임 구동부에 의해 큰 구동력을 얻을 수 있는 장점이 제공된다. 그리고 크기가 큰 밸브가 아니라 마이크로 인젝터를 사용함으로써 휴대성이 증대되는 효과가 있다. 또한, 반응기에서 발생하는 열을 열전 소자에 의해 전기로 전환하므로 반응기에서 발생하는 열을 저감시킬 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기의 블록도.
도 2는 본 발명에 의한 공압 구동기의 인젝터를 설명하기 위한 블록도.
도 3은 종래 기술에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기의 블록도.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 자세하게 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기의 개념도가 도시되어 있다. 본 발명에 의한 일원추진체 기반 공압 구동기는, 일원추진체가 수용되어 있는 일원추진체 저장 용기(1)와, 인젝터(2)와, 공압 제공부(34)와, 발전부(5)와, 제어부(6)와, 줄꼬임 구동부(7)와, 충전부(9)를 포함한다. 공압 제공부(34)는 반응기(3)와, 공압 탱크(4)를 포함한다.(도 2 참조)
일원추진체 저장 용기(1)에 저장되는 일원추진체는 과산화수소가 널리 사용되는데 하이드라진(Hydrazine)을 사용하는 것도 가능하다. 공압 제공부(34)의 반응기(3)의 내부에는 일원추진체의 반응을 촉진하는 촉매가 제공되는데, 일원추진체로 과산화수소가 사용되는 경우 이산화망간이 반응기(3) 내측에 코팅될 수 있다. 일원추진체로 과산화수소가 사용되고 반응기(3) 내의 촉매로 이산화망간이 사용되는 경우의 반응식은 "발명의 배경이 되는 기술"에서 기술한 반응식과 동일하다. 반응기(3) 내의 반응에서는 열이 발생하는데, 이 열을 전기로 변환하도록 열전 소자(35)가 제공된다. 열전 소자(35)로는 펠티어 소자(Peltier Device)를 사용할 수 있다. 열전 소자(35)는 반응기(3)의 반응에서 발생하는 열을 전기로 변환할 수 있는 위치라면 어느 위치에 배치되어도 무방하다.
반응기(3)에서 발생한 기체는 공압 탱크(4)에 저장되는데, 공압 탱크(4)에 저장된 기체는 제어부(6)의 제어에 따라서 발전부(5)로 공급되어 공압을 제공한다. 발전부(5)에는 공압 탱크(4)로부터 공급되는 공압에 의해 회전하는 로터(52)와, 이 로터(52)의 회전에 의해 전기 발생이 가능하도록 제공되는 자석(54, 56)이 제공된다. 로터(52)는 발전부(5)의 길이 방향을 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 복수 개가 직렬로 배열되는 것이 바람직하며, 로터(52)에는 감속기(8)가 연결된다.
감속기(8)는 다시 줄꼬임 구동부(7)에 연결된다. 줄꼬임 구동부(7)의 기본적인 구성과 원리는 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
예를 들어, 제1 공급로(62)를 통해서 공압 탱크(4)로부터 발전부(5)로 공압이 공급되면 줄꼬임 구동부(7)는 A 방향으로 종말 작동체(70)를 구동시키며, 제2 공급로(64)를 통해서 공압 탱크(4)로부터 발전부(5)로 공압이 공급되면 줄꼬임 구동부(7)는 B 방향으로 종말 작동체(70)를 구동시킨다. 그러나 이 방향은, 로터(52) 블레이드의 배향에 따라서 반대로 구현하는 것도 가능하며, 그 방향에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
열전 소자(35)에서 발생하는 전기와, 발전부(5)에서 발생하는 전기는 충전부(9)로 전송되어 충전된다. 이렇게 충전된 전기는 인젝터(2)를 구동시키고 제어부(6)를 작동시키는 데 사용될 수 있어 에너지 재활용이 가능하며, 종래 기술과 달리 별도의 고전력 배터리가 필요없게 된다.
인젝터(2)는 일원추진체 저장 용기(1)에 저장되어 있는 일원추진체를 반응기(3)로 공급하는 역할을 수행한다. 인젝터(2)의 일례가 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 인젝터는 도 1과 달리 일원추진체 저장 용기(1)와 반응기(3) 사이가 아니라 일원추진체 저장 용기(1)의 반응기 반대쪽에 제공되는 구성이다. 도 1에서는 인젝터가 일원추진체 저장 용기(1)로부터 공압 제공부(34)로 일원추진체를 공급하는 것을 설명하기 위한 취지로 그 중간에 배치하도록 도시한 것이다.
도 2에 도시된 인젝터(2)는, 스크류 출력축(25)을 가지는 모터(21)와,상기 스크류 출력축(25)의 구동에 의해 일원추진체 저장용기(1)에서 왕복 또는 일방향 운동이 가능하며 반응기(3)쪽으로 일원추진체를 토출시키는 피스톤 부재(23)를 포함한다. 충전부(9)에서 공급되는 전기에 의해 인젝터(2)의 모터(21)가 구동됨으로써 일원추진체를 반응기(3)쪽으로 공급할 수 있다. 모터(21)의 구동력을 피스톤 부재(23)가 왕복 또는 일방향 운동할 수 있도록 전달할 수 있다면 스크류 출력축(25) 이외에 다른 출력 메커니즘을 적용해도 무방하다. 인젝터(2)는 일원추진체를 마이크로 단위로 토출할 수 있도록 제어가 가능한 마이크로 인젝터로 구현하는 것이 소형화를 위해 바람직하다.
본 발명에 의하면, 반응기에서 발생하는 열을 전기로 변환하는 열전 소자와, 공압에 의해 회전하여 전기를 발생시키는 발전부에 의해서 충전이 가능하므로 별도의 고전력 배터리가 필요하지 않기 때문에 크기의 소형화 및 에너지 재활용이 가능하며, 나아가 줄꼬임 구동부에 의해 큰 구동력을 얻을 수 있는 장점이 제공된다. 그리고 크기가 큰 밸브가 아니라 마이크로 인젝터를 사용함으로써 휴대성이 증대되는 효과가 있다. 또한, 반응기에서 발생하는 열을 열전 소자에 의해 전기로 전환하므로 반응기에서 발생하는 열을 저감시킬 수 있는 효과도 있다.
이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며, 첨부 도면 및/또는 전술한 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.
1: 일원추진체 저장용기
2: 인젝터
3: 반응기
4: 공압 탱크
5: 발전부
6: 제어부
9: 충전부
35: 열전 소자
52: 로터

Claims (2)

  1. 일원추진체가 수용되어 있는 일원추진체 저장 용기와,
    상기 일원추진체의 반응에 필요한 촉매가 제공되는 반응기와,
    상기 일원추진체 저장 용기의 일원추진체를 상기 반응기로 토출하는 인젝터와,
    반응기에서 일원추진체의 화학 반응에 의해 발생하는 열이 전달되어 전기를 발생하도록 제공되는 열전 소자와,
    상기 반응기에서 발생한 기체가 공급되는 공압 탱크와,
    상기 공압 탱크로부터 공급되는 공압에 의해 회전하는 로터 및 상기 로터의 회전에 의해 전기 발생이 가능하도록 제공되는 자석을 포함하는 발전부와,
    상기 공압 탱크로부터 상기 발전부로의 공압 공급을 제어하는 제어부와,
    상기 로터의 출력축에 의해 구동되는 줄꼬임 구동부와,
    상기 열전 소자와 상기 발전부로부터 생성되는 전기를 충전하며, 상기 인젝터와 상기 제어부에 전력을 공급하는 충전부를 포함하는,
    일원추진체 기반 공압 구동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 저장용기에서 이동하여 일원추진체를 상기 반응기측으로 토출시키는 피스톤 부재와, 상기 피스톤 부재를 구동하는 모터를 포함하는,
    일원추진체 기반 공압 구동기.
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