KR101275257B1

KR101275257B1 - 물리적 에너지 저장시스템

Info

Publication number: KR101275257B1
Application number: KR20120073815A
Authority: KR
Inventors: 최병열
Original assignee: 최병열
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-06-17
Also published as: CN104411919B; US20150108765A1; WO2014007418A1; CN104411919A; US9006915B1

Abstract

본 발명은 물리적 에너지를 저장하고 이 저장된 물리적 에너지를 활용하여 전기를 생산하여 소형으로는 스마트폰, 휴대폰, 태블릿PC, 노트북, PMP, 기타 휴대용 디지털기기에 충전동력으로 활용할 수 있으며, 대용량으로 제작할 경우에는 자동차, 전철의 에너지 회수장치 및 대용량 에너지 저장 및 발전장치로 활용할 수 있는 물리적 에너지 저장시스템을 제공한다.
본 발명의 상기 목적은 외부의 물리적 힘으로 압력용기 실린더 내에 충전된 고압기체를 압축하여 피스톤의 로드 전진에 따른 반발력(피스톤로드의 단면적×실린더 내 압력×스트로크)을 저장에너지를 저장하여 필요시에 피구동체의 동력원으로 활용하거나, 가스 제네레이터를 구동시켜 전기를 생산하여 활용하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

물리적 에너지 저장시스템{MECHANICAL ENERGY STORAGE SYSTEM}

본 발명은 물리적 에너지를 저장하고 이 저장된 물리적 에너지를 활용하여 전기를 생산하여 소형으로는 스마트폰, 휴대폰, 태블릿PC, 노트북, PMP, 기타 휴대용 디지털기기에 충전동력으로 활용할 수 있으며, 대용량으로 제작할 경우에는 자동차, 전철의 에너지 회수장치 및 대용량 에너지 저장 및 발전장치로 활용할 수 있는 물리적 에너지 저장시스템에 관한 것이다.

최근 에너지를 저장하여 필요한 시점에 효율적으로 사용하기위한 에너지 저장 기술이 널리 개발되어 보급되고 있다. 이는 정보통신 기술의 발달과 디지털 기술의 집약으로 휴대폰, 스마트폰과 휴대용 기기의 폭발적 증가와 아울러 모든 인간 활동이 전력수요를 폭발적으로 증가시키는 요인으로 작용하여 더욱더 에너지를 효율적으로 사용해야하는 문제에 직면하게 되었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 최근 여러 방식의 전력 저장기술이 개발되었다.

에너지 저장기술로 현재 사용 중이거나 개발 중인 기술로는 양수발전기술, 압축공기 저장 가스터빈기술, 전지 에너지 저장기술, 초전도 자기 에너지 저장기술, 플라이휠 에너지 저장기술 등이 있다.

상기한 여러 에너지 저장기술 중 잉여 에너지를 회수 하여 저장하기 위한 장치의 필요성이 한층 요구되는 상황에서 최근 플라이휠 에너지 저장시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

플라이휠 에너지 저장시스템은 관성에너지를 저장하는 플라이휠 로터, 이를 지지하는 지지 베어링부, 회전 및 발전을 담당하는 전동/발전기, 전기에너지의 입/출력과 제어를 담당하는 컨트롤부, 그리고 시스템의 진공밀폐 및 안전을 위한 밀폐형 프로텍터와 같은 핵심부품으로 구성되어 있다.

작동을 살펴보면, 진공으로 밀폐된 진공 케이스 속에 플라이휠 로터를 자기 부상 비접촉 지지 베어링으로 지지하고 모터와 발전기 기능을 할 수 있게 구성하여 잉여 전기에너지를 플라이휠의 관성을 이용, 회전 운동에너지로 저장하고 필요시에 전기 에너지로 출력하는 장치로 배터리와 같은 화학적 에너지 저장장치에 대비되는 기계적 에너지 저장방식(Electro-mechanical Battery)이다.

다시 말하여, 플라이휠 에너지 저장시스템(Flywheel energy storage system)은 잉여의 전기 에너지를 회전체의 관성에너지 형태로 저장한 다음, 필요 시에 이를 다시 전기에너지로 전환하여 사용하는 에너지 저장 시스템을 의미한다.

이러한 플라이휠 에너지 저장 시스템은 잉여 및 소실에너지의 저장을 통한 에너지 절약효과, 무공해 에너지의 재생을 통한 환경 보호 효과가 타 에너지 저장 장치에 비해 월등히 뛰어난 시스템이고, 순간적인 충전과 방전이 가능하며 수명이 거의 반영구적인 장점이 있으며, 단위 무게당 가장 큰 파워성능을 갖고 있어 각종 산업분야에서 응용연구가 활발하게 진행되고 있다.

그리고 이러한 플라이휠 에너지 저장기술을 응용한 발전장치가 다수 개시되고 있다.

본 발명의 범주는 상기한 플라이휠 에너지 저장시스템과 같은 기계적 에너지 저장방식을 활용하는 것에 속한다.

상기한 플라이휠 에너지 저장기술은 운동에너지를 저장하기 위해서 고도의 정밀한 부품으로 구성되며 진공, 초전도 자기부상 비접촉 베어링, 에너지 밀도를 높이기 위해서 고속회전에 견딜 수 있는 플라이휠의 제작 등 기술적 어려움이 많이 존재하는 기술이다.

또한, 다양한 운동 에너지로부터 발생하는 에너지를 획득 하는 에너지 하베스팅 기술로 사용하기 위해서는 소형화가 필수 요건인데, 상기한 플라이휠 에너지 저장기술은 한정된 스펙에서 소형화 및 효율성이 에너지 저장장치로 활용하기에는 앞으로도 많은 연구가 필요하고 많은 문제점이 있다.

그리고 저장방법에 있어서도 운동에너지를 전기에너지로 변환 하여 다시 운동에너지로 저장하고 이를 출력할 때는 다시 전기에너지로 출력하는 구조이다.

따라서 물리적 현상으로 발생되는 다양한 물리적 에너지를 바로 저장 할 수 없는 기술적 한계도 가지고 있다.

그래서, 본 발명은 간단한 구조로서 물리적 에너지를 먼저 저장하고, 이 저장된 물리적 에너지를 보관량 내에서 필요한량 만큼을 가스량 제어밸브의 제어를 통해서 신속하게 순환방식에 의해 발전을 수행함으로써 기계적 손실을 최소화하여 발전효율을 극대화하는 것에 있다.

따라서 소형에서 대형까지 자유롭게 크기를 조절할 수 있으며, 최초 충전시 압력용기 실린더의 기체압력을 조절함으로써 다양하고 고밀도의 에너지 저장장치를 구현할 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 압력용기 실린더에 충전된 고압의 기체를 물리적인 외력에 의해 가압이동하는 피스톤로드의 단면 체적량 만큼의 반반력을 에너지로 저장한 후 상기 반발 에너지의 방출에 의해 복귀하는 피스톤이 끌고 후진하는 압축 기체를 순환시키면서 가스 제네레이터를 구동하는 동력원(에너지원)으로 활용하는 것에 의해 일정시간 동안 전기를 연속적으로 생산할 수 있는 물리적 에너지 저장기술을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

따라서 본 발명은 밀폐된 고압기체실 내부에 필요한 고압의 기체를 충전하고, 이 충전된 고압가스의 압력량에 의해 발생하는 피스톤로드의 반발력, 즉 물리적 에너지 보관량 비율만큼 발전이 가능함으로서, 발전기의 소형화가 가능하고, 한번의 물리적 에너지 보관 후 일정시간 또는 필요시에 발전할 수 있으며, 고압가스의 충전량에 의한 다양한 발전 용량을 가지는 소형의 휴대용 발전기의 구현이 가능하다.

특히, 동일 스펙의 체적실에 필요한 양 만큼의 압축 충전이 가능한 기체의 특성을 이용하여 충전 압축량에 의한 에너지효율의 이용 용이성은 물론, 압축공기의 충전압력에 의해 에너지밀도의 집약 조절로 발전효율(발전시간)의 제어할 수 있는 것을 목적으로 하고 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 에너지저장 장치는,

실린더실에 고압가스가 충전되고 외부와 기밀된 압력용기 실린더;

상기 압력용기 실린더의 실린더실에 내설되어 전, 후방 실린더실을 구획 기밀한 상태로 설치된 피스톤, 상기 피스톤의 후방실린더실을 관통하여 외부에 기밀상태로 설치되고 외부의 물리적 힘에 의해 가압이동하는 피스톤로드;

상기 피스톤의 전진이동에 따른 고압가스의 압축평형을 위해 상기 전방실린더실에서 후방실린더실로의 일방향 이동이 제공되는 제1체크밸브;

상기 피스톤의 전진이동에 따른 피스톤로드의 체적 이동량 만큼의 압축에 대한 반발력의 저장에너지를 방출하도록 상기 후방실린더실 측에 기밀상태로 연결된 제1관로;

상기 제1관로 상에 설치되고 방출 고압가스의 속도 및 량을 제어하는 제어밸브;

상기 제1관로와 연결되고, 상기 제어밸브의 제어로 이동하는 고압가스에 의해 구동하는 가스 제네레이터; 및,

상기 가스 제네레이터의 구동 동력으로 활용된 고압가스를 상기 전방실린더실에 리턴하도록 기밀 상태로 연결된 제2관로;

상기 제2관로 상에 설치되어 상기 가스 제네레이터로의 고압가스 역류를 방지하는 제2체크밸브; 를 포함하고,

각각의 구성부재는 외부와 기밀된 상태로 내부에 고압의 고압가스가 압력평형을 갖고 충전된 상태의 기밀압력라인으로 구성된 것이 특징이다.

여기서, 상기 제1관로는 상기 피스톤로드의 이동에 간섭받지 않는 위치이고 상기 피스톤의 최대 후진위치에 간섭받지 않는 위치의 후방실린더실에 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2관로는 상기 피스톤의 최대 전진에 간섭받지 않도록 전방 축중심 위치에 관통 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기 제1체크밸브는 상기 피스톤로드와 간섭되지 않는 위치로서 상기 피스톤로드와 수평방향으로 상기 피스톤에 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1체크밸브는 상기 제1관로와 상기 제2관로를 연결하는 제3관로를 구성하고 이에 구성할 수도 있다.

여기서, 상기 제3관로는 상기 제어밸브의 도입단의 관로와 상기 제2관로상에 설치된 제2체크밸브의 출력단의 관로에 연결 구성됨이 바람직하다.

상기 가스 제네레이터는,

상기 제1관로의 출력단과 연결되는 제1 및 제2 입력포트와, 상기 제1, 제2 입력포트와 대응하여 상기 제2관로의 입력단에 연결되는 제1 및 제2 출력포트를 구성한 하우징부;

상기 하우징부의 내부 양측에 축 설치되고 양측방에 상기 제1, 제2 입력포트와 제1, 제2 출력포트에 연결하는 상, 하부 오리피스를 관통한 제1, 제2 실린더실을 구비한 제1,제2 실린더 상호 간이 크로스(90도 교차) 상태로 형성한 실린더샤프트,

상기 제1, 제2 실린더실 각각에서 고압가스의 가압으로 슬라이드 이동하는 피스톤과 이의 양방에 구성되어 상기 제1, 제2 실린더실과 기밀된 상태로 외부에 돌출된 로드로 구성된 제1, 제2 로드피스톤, 상기 제1, 제2 실린더의 외부에서 슬라이드 직진 이동가능케 조립되며 상기 제1, 제2 로드피스톤의 로드 양단부와 각각 결합한 상태로 양방에 한쌍의 캠베어링를 구비한 제1, 제2 링베어링 하우징을 포함하되, 상기 제1, 제2 로드피스톤의 직진운동에 의해 상기 제1, 제2 링베어링 하우징이 각 캠베어링에 의해 상기 하우징부의 내부에 형성된 양측의 캠면(편심내륜)을 크로스 상태로 각각 접동회전과 동시에 직진이동하면서 상기 실린더샤프트를 동기회전시키도록 이루어진 가스엔진부;

상기 실린더샤프트의 제1, 제2 실린더 사이로서 상기 하우징부의 내주면에 조립 고정된 스테이터코어 및 상기 스테이터코어를 지지 조립하는 양측의 절연체로 구성된 스테이터와, 상기 스테이터에 대응하여 실린더샤프트에 조립된 로터코어 및 상기 로터코어에 조립된 마그네트로 구성된 로터로 이루어진 발전부를 포함한 것이 특징이다.

여기서, 상기 하우징부는 내부에 가공된 축홈에 상기 제1, 제2 입력포트와 제1, 제2 출력포트가 관통 구성한 제1, 제2 사이드커버, 내주면에 캠면(편심내륜)을 갖고 상기 제1, 제2 사이드커버에 대향하여 내측에 배치된 제1, 제2 캠링 및, 상기 양측의 제1, 제2 캠링 사이에 배치된 중앙커버로 이루어지되, 각각은 결합계면 사이에 오링을 개재한 상태에서 대응 관통된 다수의 볼트공을 통하여 상기 중앙커버를 중심으로 대향방향의 좌, 우에서 체결되는 볼트에 의해 상기 제1, 제2사이드커버, 상기 제1, 제2 캠링 및 상기 중앙커버의 결합계면이 기밀된 상태로 조립되어 형성한 것이 특징이다.

이때, 상기 제1, 제2 캠링은 내주면에 형성된 각 캠면(편심내륜)은 상호 간 반대의 대향방향으로 설치됨이 바람직하다.

상기 가스엔진부는,

상기 제1, 제2 사이드커버의 제1,제2 입력포트를 통해 가압이동하는 고압가스가 양측의 상기 제1,제2 실린더실에 연통된 상, 하부 오리피스 중 어느 하나를 통해 공급되어 상기 제1,제2 로드피스톤의 직진으로 상기 제1,제2 링베어링 하우징이 회전하여 이들 중 어느 하나가 상기 제1,제2 캠링 중 어느 하나의 최대캠면(중심점과의 최소거리의 캠면)과 최소캠면(중심점과의 최대거리의 캠면)에 양측의 캠베어링이 일치된 데드포인트(사점) 상태에 있을 때, 다른 하나는 상기 제1,제2 캠링 중 다른 하나의 중간캠면에 양측의 캠베어링이 데드포인트 상태가 벗어난 위치로 있어 계속 회전이 이루어지고,

동시에 상기 제1,제2 로드피스톤의 직진이동에 의해 상기 제1,제2 실린더실에 충전된 고압가스를 타측 오리피스를 통한 상기 제1,제2 출력포트를 통한 배출로 고압가스의 흐름이 교번적이고 연속적으로 이루어지면서 상기 제1, 제2 실린더와 상기 제1,제2 로드피스톤의 로드의 양단부에 지지된 제1,제2 링베어링 하우징의 각 캠베어링이 상기 제1,제2 캠링의 편심내륜과 각도물림(치각스트레스 : nip angle stress) 없이 일방향의 연속회전으로 상기 발전부의 로터를 회전하여 전기를 생산하는 것이 특징이다.

이때, 상기 실린더샤프트의 제1, 제2 실린더실에 연결되는 상, 하부 오리피스는 회전에 따른 상기 제1,제2 입력포트와 제1,제2출력포트에 연결되도록 축 단부 양측의 외주면에 길게 요설되고 구획 형성된 한 쌍의 포트연결장홈에 각각 연통되어 구성된다.

또한, 상기 실린더샤프트는 상기 사이드커버의 축홈에 조립된 제1,제2 베어링에 의해 양단부가 축결합으로 회전지지가 이루어진다.

상기 발전부의 로터는 상기 로터코어의 외주면에 4분할 형성된 마그네트홈에 호형으로 형성된 마그네트가 각각 조립되고, 상기 로터코어는 2분할되어 중앙부분의 면취부에 맞결합 상태로 용접 조립되어 상호간이 동기회전되는 것이 특징이다.

여기서, 상기 마그네트홈은 실린더샤프트의 회전에 따른 원심력 방향의 이탈이 방지되는 내광외협의 테이퍼홈으로 형성하고 이에 맞게 형성된 마그네트를 축방향의 슬라이드 조립 및 접착으로 고정된 것이 특징이다.

또한 상기 발전부의 스테이터는 축방향으로 등분 형성된 조립홈이 구비된 스테이터코어와, 코일을 권선하기 위한 권선돌기가 등분 형성되고 상기 조립홈의 내주면에 조립돌기로 조립되는 양측의 절연체로 구성되고, 상기 스테이터코어는 외주면에 축방향으로 돌출된 고정돌기를 이용하여 상기 중앙커버의 내부에 요설된 고정홈에 끼움된 상태로 회전고정이 이루어진 것이 특징이다.

삭제

본 발명에 의하면, 밀폐된 압력용기 실린더 및 상기 압력용기 실린더에 연결된 기밀라인 속에 고압의 고압가스를 충전하고, 실린더실 속에 배치된 피스톤과 연결된 피스톤로드의 가해해지는 물리적인 힘에 의해 압축되는 반발력 즉, 로드 단면적×실린더실 압력×스트로크=최적변화량을 물리적인 저장에너지로 하여 필요시에 상기 저장에너지를 발전기의 발전동력원으로 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 실린더실의 용적에 의도된 설계량 만큼의 고압가스를 압축충전하고, 충전된 고압가스의 압축량, 즉 피스톤로드의 단면적 이동에 따른 비례적으로 가압되는 고압가스의 압축 반발력을 활용할 수 있음으로서 소형화가 가능한 이점 및 대용량화시에는 그 활용을 다양한 산업분야에 사용할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 외부에 적용되는 물리적인 힘에 따라서 발생하는 물리적 에너지(반발 에너지)를 보관 후에 일정시간 또는 필요시에 발전할 수 있으며, 고압가스의 충전량에 따라서 다양한 발전용량을 가지는 소형의 휴대용 발전기의 활용이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면, 동일 스펙의 용적량에 충전되는 고압가스의 충전압력에 따른 에너지 밀도의 집약조절로 발전효율(발전시간)을 제어할 수 있어 사용범위의 범용성은 물론 사용분야를 넓게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 본 발명의 핵심부품인 가스 제네레이터의 독특한 구조 및 동작에 따른 오동작을 없앤 구조로 제공되어 신뢰성이 보장되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 구성부품, 예를 들면 실린더, 피스톤 및 피스톤로드는 이미 오래전부터 양산이 가능하고, 핵심부품인 가스 제네레이터의 구성부품이 조립형으로 구성되어 공업적으도 양산(量産) 효과를 개대할 수 있으며, 염가로 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물리적 에너지 저장시스템을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물리적 에너지 저장시스템을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 핵심부품인 가스 제네레이터의 구체적인 구성을 보여주는 조립상태 단면도이다.
도 4는 도 3의 구성부품 분해도이고, 도 5는 도 3의 구성부품의 외관을 보여주는 분해사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 가스 제네레이터를 구성하는 가스엔진부의 분해사시도 및 분해 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 가스 제네레이터를 구성하는 발전부의 구성부품의 분해사시도 및 조립상태 단면도이다.
도 10은 본 발명의 가스 제네레이터를 작동을 설명하기 위한 가스엔진부의 실린더샤프트와 제1,2 캠링의 편심내륜의 접동상태를 보여주는 발췌도이다.
도 11 및 도 12는 가스 제네레이터의 가스엔진부를 구성하는 실린터샤프트의 회전상태를 보여주는 발췌 사시도이다.
도 13 내지 도 15는 실린더샤프트의 회전에 따른 고압가스의 공급과정을 보여주는 작동상태 발췌 단면도이다.

본 발명은 외부의 물리적 힘으로 압력용기 실린더 내에 충전된 고압기체를 압축하여 피스톤의 로드 전진에 따른 반발력(피스톤로드의 단면적×실린더 내 압력×스트로크)을 저장에너지를 저장하여 필요시에 피구동체의 동력원으로 활용하거나, 가스 제네레이터를 구동시켜 전기를 생산하여 활용하도록 한 것을 특징으로 한다.

이하에서 설명하는 본 발명의 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 범위에 대해 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 이러한 단순 변형은 본 발명의 기술적 범주에 속함으로 해석되어야 함이 바람직하다.

그리고 본 발명의 설명을 위해 도면에 제시된 구성요소는 본 발명의 권리에 영향을 미치지 않는 한 단순화하여 도시하거나, 과장 또는 생략할 수 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 물리적 에너지 저장시스템은,

압력용기 실린더(100), 상기 압력용기 실린더(100)의 실린더실에 내설된 피스톤(110), 상기 피스톤(110)과 일체 또는 조립으로 구성되어 외부에 돌출된 피스톤로드(120)와, 상기 피스톤(110)에 의해 구획된 전방실린더실(130)과 후방실린더실(140)에 기밀라인으로 상호 연결된 제1관로(A), 제2관로(B), 상기 제1관로(A) 상에 구성된 제어밸브(150), 상기 제1관로(A)와 제2관로(B)의 사이에 설치된 가스 제네레이터(200), 상기 피스톤(110) 내에 설치된 제1체크밸브(160), 상기 제2관로(B) 상에 구성된 제2체크밸브(170)가 구성된다.

상기 압력용기 실린더(100)는 상기 가스 제네레이터(200)을 중심으로 제1관로(A)와 제2관로(B)에 의해 각 구성요소는 연결되어 인위적인 분리 또는 해체가 없는 상태에서 외부와 기밀되고, 상기 제1관로(A)나 제2관로(B) 중에 가스인젝션포트(180)가 구성되어 이를 통해 고압가스(G)가 충전된다.

물론, 장기간 사용에 따른 물리적인 손실에 따른 내부에 충전된 고압가스(G)의 손실이나 재충전시에 활용되는 가스인젝션포트(180)는 체크밸브로 구성됨이 바람직하다.

상기 피스톤로드(120)는 물리적인 힘에 의해 반복 가압전진 및 후퇴에 따른 내부의 실린더실과 기밀되도록 상기 압력용기 실린더(100)와 기밀상태로 노출됨은 당연하고,

상기 피스톤로드(120)에 가해지는 물리적인 힘은, 예로서 소용량일 경우에는 사람의 파지력에 의해 이룰 수 있고, 대용량의 경우에는 자동차의 브레이크 작동시에 발생하는 바퀴의 제동 에너지를 바퀴와 연결된 가변 용량형 유압펌프에 의해 발생하는 힘, 화약폭발 등의 수단에 의해 발생하는 폭발력 등을 이용할 수 있다.

여기서, 상기 실린더실에 충전된 고압가스(G)는 상기 제어밸브(150)에 의해 압축흐름이 차단된 상태에 있게 되고, 상기와 같은 외부의 물리적 힘에 의해 피스톤(110)의 가압이동으로 상기 제어밸브(150)에서 제2체크밸브(170)까지의 상기 압력용기 실린더(100)의 실린더실인 전, 후방실린더실(130,140) 및 이를 연결하는 제1관로(A) 및 제2관로(B)의 기밀라인은 가압이동하는 피스톤로드(120)의 전진에 비례하여 상기 피스톤로드(120)의 단면적 체적 이동량 만큼의 고압가스(G) 압축에 대한 반발력을 저장에너지를 저장한다.

이러한 피스톤(110)의 가압이동에 따른 고압가스(G)는 압력유동이 가능한 기밀라인 속에서 압축평형을 위해 상기 피스톤(110)에 구성된 제1체크밸브(160)에 의해 전방실린더실(130)에서 후방실린더실(140)의 일방향 이동에 의해 이루어진다.

그리고 제1관로(A)는 상기 제어밸브(150)의 개방에 의해 상기 저장에너지를 방출하여 이렇게 방출된 저장에너지를 활용하여 상기 가스 제네레이터(200)를 구동하여 전기를 생산할 수 있다.

여기서, 상기 방출되는 저장에너지는 본 발명에서는 라인 상에 연결된 상기 가스 제네레이터(200)의 구동원의 활용을 설명하고 있으나, 필요시에 회전이 필요한 피구동원의 구동원으로 활용할 수도 있다.

상기 제어밸브(150)은 상기 피스톤로드(120)의 전진에 비례하여 그 단면적의 체적량 만큼 압축된 반발력 방출 시에 그 량 및 속도를 조절할 수 있는 컨트롤러로 이해함이 타당할 것이다.

상기와 같이 가스 제네레이터(200)의 전기 생산으로 활용되어 제2관로(B)를 흐르는 고압가스(G)는 제2체크밸브(170)을 경유하여 상기 압력용기 실린더(100)의 전방실린더실(130)으로 리턴하게 된다.

여기서, 상기 제2체크밸브(170)는 에너지 저장에 따른 가압된 고압가스(G)가 상기 가스 제네레이터(200)의 토출라인 측으로 역류하는 것을 방지하는 기능을 수행한다.

이렇게 저장에너지의 소모 후에는 다시 피스톤로드(120)의 재 전진에 따른 체적 변화량의 저장에너지를 생성하여 반복적인 사용이 가능하다.

상기 압력용기 실린더(100)의 후방실린더실(140)에 연결된 상기 제1관로(A)는 상기 피스톤로드(120)의 이동에 간섭받지 않는 위치에 기밀상태로 연결됨이 바람직하고, 상기 피스톤(110)의 최대 후진위치에 간섭받지 않는 위치의 후방실린더실(140)에 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2관로(B)도 상기 피스톤(110)의 최대 전진에 간섭받지 않도록 전방 축중심 위치에 관통 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1체크밸브(160)는 본 발명의 바람직한 실시예와 같이, 상기 피스톤로드(120)와 간섭되지 않는 위치로서 상기 피스톤로드(120)와 수평방향으로 상기 피스톤(110)에 구성 이외에도, 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 제1관로(A)와 상기 제2관로(B)를 연결하는 제3관로(C)를 구성하고, 상기 피스톤(110) 상에 구성된 제1체크밸브(160)를 상기 제3관로(C) 상에 동일방향으로 구성할 수도 있다.

여기서, 상기 제3관로(C)는 상기 제어밸브(150)의 도입단의 관로와 상기 제2관로(B) 상에 설치된 제2체크밸브(170)의 출력단의 관로에 연결 구성됨이 바람직하다.

이렇게 상기 제3관로(C)에 구성되는 상기 제1체크밸브(160)는, 본 발명의 바람직한 실시 예와 같이, 상기 피스톤(110)의 가압이동에 대한 반발력의 저장에너지를 상기 제2관로(B) 및 제3관로(C)를 경유하여 상기 제어밸브(150)과 상기 후방실린더실(140)의 기밀라인의 이동하여 압축평형이 이루어진 상태로 물리적 에너지(피스톤로드의 전진에 따른 체적 압축량)를 저장하여 활용할 수 있다.

한편, 본 발명에 적용된 상기 제1체크밸브(160), 제2체크밸브(170) 및 상기 가스인젝션포트(180)의 체크밸브는 유체흐름에 대해 경사진 밸브시트를 갖는 몸체, 상기 밸브시트에 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 볼, 상기 볼을 밸브시트에 강제 밀착하는 압축스프링의 구성요소로 이루어진 볼체크밸브로 구성될 수 있다.

본 발명에 적용된 상기 가스 제네레이터(200)는 상기와 같은 고압가스(G)의 흐름(압력평형)이 이루어지면서 그 흐름을 이용해 전기를 생산하게 된다.

물론, 이렇게 생산된 전기는 출력을 피구동체의 회전동력으로 바로 사용하거나, 충전용 배터리의 충전용으로 활용할 수 있다.

이러한 본 발명에 적용된 가스 제네레이터(200)는 도 3에 도시된 것과 같이, 내부구성부재를 수용 기밀하는 하우징부(210), 상기 하우징부(210)의 내부에 수용되는 가스엔진부(220) 및 발전부(300)의 구성부분으로 크게 구분된다.

상기 하우징부(210)는 상기 제1관로(A)의 출력단과 연결되는 제1 입력포트(A-1) 및 제2 입력포트(A-2)와, 상기 제1, 제2 입력포트(A-1,A-2)와 대응하여 상기 제2관로(B)의 입력단에 연결되는 제1 및 제2 출력포트(B-1 및 B-2)가 구성된다.

도 4를 참조하여 상기 하우징부(210)를 보다 구체적으로 살펴보면,

내부의 축홈(211a)(212a)에 각각 상기 제1, 제2 입력포트(A-1)(A-2)와 제1, 제2 출력포트(B-1)(B-2)를 관통 구성한 제1, 제2 사이드커버(211)(212)와, 내주면에 각각의 캠면(편심내륜)(216)(217)을 형성하고 상기 제1, 제2 사이드커버(211)(212)에 대향하여 내측에 배치된 제1, 제2 캠링(214)(215)과, 상기 양측의 제1, 제2 캠링(214)(215) 사이에 배치된 중앙커버(213)로 이루어진다.

여기서, 상기 제1, 제2 사이드커버(211)(212), 제1,제2캠링(214)(215) 및 중앙커버(213) 각각은 결합계면에 오링홈을 형성하고 이들 사이에 오링(O/R)을 개재한 상태에서 대응 관통된 다수의 볼트공을 통하여 상기 중앙커버(213)를 중심으로 대향방향의 좌, 우에서 체결되는 볼트(B/T)에 의해 각각의 결합 계면이 기밀 된 상태로 조립된다.

이때, 상기 제1, 제2 캠링(214)(215)은 도 10에 도시된 것과 같이, 중심점에서 거리가 축소되는 상태로 내주면에 점진적으로 두껍게 형성된 각 캠면(편심내륜)(216)(217)의 최대 두께면이 반대방향으로 배치된 상태로 대향 설치됨이 바람직하다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 가스 제네레이터를 구성하는 가스엔진부의 분해사시도 및 분해 단면도이다.

이러한 가스엔진부(220)는,

상기 하우징부(210)의 제1, 제2 사이드커버(211)(212)의 축홈(211a)(212a)의 내면에 조립된 지지베어링(B/R)에 양단부가 축 결합되고, 상기 제1, 제2 입력포트(A-1,A-2)와 제1, 제2 출력포트(B-1,B-2)에 연통하는 상, 하부 오리피스(221a)(221b)(도 6 및 도 7 참조)가 상, 하부에 관통 형성한 각각의 제1,제2 실린더실(231)(241)을 갖는 제1,제2 실린더(230)(240)가 상호 간이 크로스(90도 교차) 상태로 형성된 실린더샤프트(221)가 구비된다.

상기 상, 하부 오리피스(221a)(221b)는 실린더샤프트(221)의 축방향과 직교하고 다시 축방향으로 관통 하여 형성되고, 축단부의 개방단은 통상의 스틸볼(S/T)의 압입에 의해 기밀 마감된다.

상기 실린더샤프트(221)는 상기 제1, 제2 실린더실(231)(241)의 상, 하부에 연결되는 상, 하부 오리피스(221a)(221b)의 개방단, 즉 실린더샤프트(221)의 축방향과 직교하여 관통된 개방단에 각각 연결되어 회전에 따른 상기 제1,제2 입력포트(A-1)(A-2)와 제1,제2출력포트(B-1)(B-2)의 연결관로를 형성하도록 양측 축단부의 외주면에 대향으로 길게 요설되고 상호 간은 구획된 상태의 한쌍으로 구성된 일측 포트연결장홈(225)과 타측 포트연결장홈(226)이 형성된다.

그리고 상기 제1, 제2 실린더실(231)(241)에는 고압가스(G)의 가압으로 슬라이드 이동하는 제1, 제2피스톤(250)(260)과 이들의 로드에 결합되어 상기 제1, 제2 실린더실(231)(241)을 기밀하는 각각의 피스톤캡(P/C)이 조립된다.
즉, 상기 제1,제2실린더실(231)(241)은 상기 제1,제2 로드피스톤(250)(260)의 로드 출몰작동에 따른 기밀을 위해 상, 하부 각각에 로드에 결합한 상태로 각각의 피스톤캡(P/C)이 조립된다.

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그리고 상기 제1, 제2 실린더(230)(240)의 외부에는 상기 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)의 각 로드 양단부와 결합하여 상기 제1,제2로드피스톤(250)(260)의 동작방향으로 슬라이드 이동하는 제1, 제2 링베어링 하우징(270,280)이 구비된다.

여기서, 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)은 사각의 링형태로서 상기 제1, 제2 실린더(230)(240)의 외부 양측에 파여진 가이드홈(235)(245)에 한 쌍의 가이드봉(275)(285)에 의해 조립되어 이탈방지로 직진 이동케 조립된다.

다시 말하여, 상기 제1,제2 실린더(230)(240)의 외측에 상기 제1, 제2 링베어링 하우징(270(280)를 끼운 상태에서 상기 제1,제2 실린더(230)(240)의 상기 양측의 가이드홈(235)(245)에 상기 한 쌍의 가이드봉(275)(285)을 슬라이드 이동방향으로 조립하여 상기 가이드홈(235)(245)에 외주면 일부가 결합한 상태로 조립된다.

따라서, 각각의 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)은 상기 제1,제2 로드피스톤(250)(260)의 이동방향으로 슬라이드 이동은 이루어지나, 자체 회전이 방지되고 이탈되지 않는 상태로 조립된다.

물론, 이러한 조립에 의해 상기 제1, 제2 링베어링 하우징(270)(280)의 내측 상, 하부면에 가공된 홈에 상기 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)의 로드 양단부가 맞물림 상태로 조립되어 상호 간이 일체 이동가능케 조립된다.

이때, 상기 제1, 제2 링베어링 하우징(270)(280)은 각각 양측에 대향하여 한 쌍의 캠베어링(271)(281)이 회전가능케 축 조립된다.

상기 실린더샤프트(221)는 상기 제1, 제2 로드피스톤(250)(260), 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)이 세팅된 상태에서 상기 각 캠베어링(271)(281)을 상기 제1, 제2 캠링(214)(215)의 각 캠면(편심내륜)(216)(217)에 내접한 상태로 상기 하우징부(210)에 회전가능케 축 결합으로 조립된다.

즉, 상기 실린더샤프트(221)의 양 단부를 상기 하우징부(210)의 제1, 제2 사이드커버(211)(212)의 축홈(211a)(212a)의 내면에 결합하는 지지베어링(B/R)과 축 결합된다.

따라서, 상기 실린더샤프트(221)는 상기 제1, 제2 실린더(230)(240)에 구축된 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)의 작동(고압가스의 가압이동에 의한 직진이동)으로 상기 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)을 이동함과 동시에 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)의 회전동력(캠운동)이 발생하여 동기적인 전체 회전으로 상기 실린더샤프트(221)를 회전시키게 된다.

이러한 작동에 대하여 도 10 내지 도 15를 참조하여 보다 구체적 살펴보면,

도 10 및 도 13에 도시된 것과 같이, 상기 제1, 제2 사이드커버(111)(112)의 제1, 제2 입력포트(A-1)(A-2)를 통해 가압이동하는 고압가스(G)가 상기 실린더샤프트(221)의 제1, 제2 실린더실(231)(241)에 연결된 상, 하부 오리피스(221a, 221b) 중 상기 각 포트연결장홈(225)(226)중 어느 하나에 의해 연결된 위치 것(설명의 편의상 상부 오리피스 : 221a)을 통해 상기 제1 로드피스톤(250) 및 제2 로드피스톤(260)의 피스톤에 직진 가압력을 부여하여 전진 이동상태의 상기 제1 로드피스톤(250) 및 제2 로드피스톤(260)을 후진시키게 된다.

따라서, 이러한 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)의 로드 양측에 지지된 제1, 제2 링베어링 하우징(270)(280)의 양측 캠베어링(271)(281)에 일방향의 활주 구동력을 제공하여 상기 제1,제2 캠링(214)(215)의 각 캠면(편심내륜)(216)(217)을 활주 회전하게 된다.

이러한 활주 회전은 도 14에 도시된 것과 같이, 가압이동하는 상기 제1 또는 제2 실린더실(231 또는 241) 중 어느 하나의 제1 또는 제2 로드피스톤(250 또는 260)은 최대 직진(후진)으로 상기 제1 또는 제2 링베어링 하우징(270 또는 280)이 상기 제1 또는 제2 캠링(214 또는 215)의 캠면(편심내륜)(216 또는 217)의 최대캠면(중심점과의 최소거리의 캠면)과 최소캠면(중심점과의 최대거리의 캠면)에 양측의 캠베어링(271 또는 281)이 일치된 데드포인트(사점) 상태에 있게 되고, 다른 하나는 상기 제1 또는 제2 캠링(214 또는 215)의 중간캠면에 양측의 캠베어링(271 또는 281)이 위치된 상태(중간 후진상태)에 있게 된다.

다시 말하여, 데드포인트(dead point : 사점) 위치의 일측 링베어링 하우징(270 또는 280)과 90도 교차된 상태의 다른 타측 링베어링 하우징(280 또는 270)은 사점(데드포인트)의 위치에 있지 않은 상태가 교번적으로 이루어져 가압이동하는 상기 제1,제2 로드피스톤(250 또는 260) 중 어느 하나는 항상 데드포인트에 벗어난 상태에서 이동(전진 또는 후진)력을 부여받음으로 상기 제1 또는 제2 링베어링 하우징(270 또는 280)은 각도물림(치각 스트레스)에 의한 오작동이 없이 지속적인 회전이 이루어진다.

이러한 과정에서 상기 제1,제2 로드피스톤(250)(260)의 직진이동에 의해 상기 제1,제2 실린더실(231)(241)에 충전된 고압가스는 타측 오리피스(221b)와 연결된 상태로 있는 각 포트연결장홈(225)(226)에 의해 상기 제1,제2 출력포트(B-1)(B-2)를 통한 배출로 고압가스의 지속적인 흐름이 이루어진다.

이렇게 제1, 제2 출력포트(B-1)(B-2)을 통한 고압가스의 흐름이 이루어지면서 도 15에 도시된 것과 같이, 상기 제1 또는 제2 출력포트(B-1 또는 B-2)와 연결되어 있던 상기 하부 오리피스(221b)의 포트연결장홈(225)(226)이 상기 제1 또는 제2 입력포트(A-1 또는 A-2)에 위치되는 데드포인트를 이탈함과 동시에 반대로 상기 제1 또는 제2 입력포트(A-1 또는 A-2)와 연결된 상기 상부 오리피스(221a)의 포트연결장홈(225)(226)이 상기 제1 또는 제2 출력포트(B-1 또는 B-2)와 연결되는 상태가 교번적으로 이루어져 상기 제1,제2 입력포트(A-1)(A-2)를 통해 가압 이동하는 고압가스는 항상 상기 제1,제2 출력포트(B-1)(B-2)을 통한 배출이 이루어지면서 상기 실린더샤프트(221)는 저장된 물리적 에너지에 의한 고압가스의 가압이동으로 연속회전이 이루어진다.

다시 말하여, 상기 실린더샤프트(221)의 제1, 제2 실린더실(231,241)에 관통된 상, 하부 오리피스(221a)(221b)가 교번적으로 상기 제1,제2 입력포트(A-1)(A-2)와 제1,제2 출력포트(B-1)(B-2)와 연통되어 고압가스의 가압이동이 제공되면서 상기 실린더샤프트(221)를 연속해서 회전시키게 된다.

이러한 과정에 의해 상기 실린더샤프트(221)와 제1,제2 로드피스톤(250)(260) 및 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)의 구성부품 전체가 동기 회전하게 된다.

즉, 도 11 및 도 12에 도시된 것과 같이, 상기 제1,제2 실린더(230)(240)와 일체 개념으로 설치된 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270,280) 상호 간이 90도 교차상태로 구성됨으로서,

상기 제1,제2실린더(230)(240)의 실린더실(231)(241)에 설치된 제1,제2 로드피스톤(250)(260)의 직진이동(전진 또는 후진)에 의한 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)의 각 캠베어링(271)(281) 중 어느 하나가 상기 제1, 제2 캠면(216)(217)의 데드포인트인 최대캠면(중심점과의 최소거리의 캠면)과 최소캠면(중심점과의 최대거리의 캠면)(로드피스톤의 최대전진 또는 최대후진 상태)에 있을 때 다른 하나는 데드포인트를 벗어나 항상 회전이동의 가압력을 제공받는 상태로 있게 되어 일방향 지속적인 활주운동에 의해 이루어진다.

따라서, 활주운동에 따른 상기 캠베어링(271)(281)이 상기 제1,제2 캠링(214)(215)의 각 캠면(편심내륜)(216)(217)에 각도물림(치각스트레스 : nip angle stress) 없는 상태로 상기 실린더샤프트(221)를 연속회전시켜 상기 발전부(300)에 의해 전기를 생산하게 된다.

한편, 본 발명의 상기 가스 제네레이터(200)는 상기 제1,제2 입력포트(A-1)(A-2)에 연결되는 제1관로(A)의 출력단을 상기 제1,제2 출력포트(B-1)(B-2)에 연결하고, 상기 제1,제2 출력포트(B-1)(B-2)에는 상기 제2 관로(B)의 입력단을 바꾸어서 연결해도 상기 가스 제네레이터(200)의 구동에는 문제가 없다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 가스 제네레이터를 구성하는 발전부의 구성부품의 분해사시도 및 조립상태 단면도이다.

이러한 발전부(300)는,

상기 실린더샤프트(221)의 제1, 제2 실린더(230)(240) 사이로서 상기 하우징부(210)의 중앙커버(213)의 내주면에 조립 고정된 스테이터코어(320) 및 상기 스테이터코어(320)를 지지 조립하는 양측의 절연체(330,340)로 구성된 스테이터(310)와,

상기 스테이터(310)에 대응하여 상기 실린더샤프트(221)의 중앙축부에 조립된 로터코어(360) 및 상기 로터코어(360)에 조립된 마그네트(370)로 구성된 로터(350)로 이루어진다.

상기 로터(350)는 상기 로터코어(360)의 외주면에 4분할 형성된 마그네트홈(361)에 호형으로 형성된 마그네트(370)가 각각 조립되고, 상기 로터코어(360)는 2분할되어 상기 실린더샤프트(221)의 중앙부분에 면취된 면취부에 밀착된 상태에서 용접으로 맞조립되어 상기 실린더샤프트(221)와 동기회전하도록 되어 있다.

상기 로터코어(360)의 마그네트홈(361)은 상기 실린더샤프트(221)의 회전에 따른 원심력방향으로 이탈이 방지되도록 내광외협의 테이퍼홈으로 형성되어 분할된 4개의 마그네트홈(361)이 형성되고, 이에 각각의 마그네트(370)이 조립된다.

이러한 로터코어(360)는 상기 실린더샤프트(221)의 중앙 축부에 조립하기 위해 2분할된 상태로 구성되고, 조립시 먼저 상기 실린더샤프트(221)의 중앙 축부의 면취부에 밀착한 상태에서 두면을 용접으로 부착시킨 후, 다시 상기 4개의 마그네트홈(361)에 4개의 마그네트(370)이 조립된다.

여기서, 상기 마그네트홈(361)은 상기 실린더샤프트(221)의 회전에 따른 원심력 방향으로 이탈이 방지되도록 내광외협의 테이퍼홈으로 형성되고 이에 맞게 가공된 마그네트(370)가 축방향으로 슬라이드 끼움으로 조립된 상태에서 접착으로 고정된다.

또한, 상기 발전부(300)의 스테이터(310)의 스테이터코어(320)는 축방향으로 등분 형성된 조립홈(321)이 구비되고, 상기 절연체(330)(340)는 코일(C/O)을 권선하기 위한 한 쌍의 권선돌기(361)가 등분 형성되고, 상기 스테이터코어(320)의 조립홈(321)의 내주면에 결합하는 결합돌기(362)로 조립 구성된다.

이러한 스테이터(310)는 상기 스테이터코어(320)는 외주면에 축방향으로 돌출된 고정돌기(322)를 이용하여 상기 중앙커버(213)의 내부에 요설된 고정홈(213a)에 끼움된 상태로 회전고정이 이루어진다.

상기 스테이터코어(320)는 0.5mm 규소강판을 적층하고 레이저 용접에 의해 단일몸체로 구성된 것이고, 이러한 스테이터코어(320)의 제조는 당업계에서 이미 널리 알려진 기술임으로 구체적인 설명은 생략해도 무방할 것이다.

그리고 상기 발전부(300)에서 발전된 전기는 스테이터(310)에서 인출되는 RSTN상의 교류는 외부의 제어 콘트롤러(C/B)에 의해 DC레벨로 정류하여 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 물리적 에너지 저장시스템을 이용한 발전과정을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

압력용기 실린더(100), 외부의 물리적 힘에 의해 피스톤(110)를 가압이동하도록 내부 실린더실과 기밀상태로 노출된 피스톤로드(120), 상기 피스톤(110)의 전진이동에 따른 내부에 충전된 고압가스(G)의 압축평형을 위해 피스톤(100)에 의해 구획된 전방실린더실에서 후방실린더실로의 일방향 이동이 제공되는 제1체크밸브(160), 상기 피스톤(110)의 전진이동에 따른 피스톤로드(120)의 체적 이동량 만큼의 압축에 대한 반발력의 저장에너지를 방출하도록 후방실린더실 측에 기밀상태로 연결된 제1관로(A), 상기 제1관로(A) 상에 설치되고 방출 고압가스의 속도 및 량을 제어하는 제어밸브(150), 상기 제1관로(A)와 연결되고, 상기 제어밸브(150)에 제어에 의해 이동하는 고압가스(G)에 의해 구동하는 가스 제네레이터(200) 및, 상기 가스 제네레이터(200)의 구동 동력으로 활용된 고압가스(G)를 상기 전방실린더실에 리턴하도록 기밀 상태로 연결된 제2관로(B), 상기 제2관로(B) 상에 설치되어 상기 가스 제네레이터(200)로의 고압가스 역류를 방지하는 제2체크밸브(170)가 외부와 기밀된 상태로 내부에 고압의 고압가스가 압력평형을 갖고 충전된 상태의 기밀압력라인으로 구성되는 물리적 에너지 저장시스템을 이용한다.
즉, 본 발명의 발전단계는,

고압가스 충전단계와, 외부의 물리적 힘에 의해 에너지를 발생하는 단계와, 발생된 물리적 에너지의 저장단계와, 저장된 물리적 에너지를 이용해서 전기를 생산하는 발전단계로 진행된다.

상기 고압가스 충전단계는 상기 기밀압력라인 내부에 고압가스(G)를 충전하는 단계이다.

이러한 고압가스(G)의 충전은 상기 제어밸브(150)을 개방한 상태에서 상기 압력용기 실린더(100)의 후방실린더실과 연통된 제1관로(A) 상에 가스 인젝션 포트(180)를 구비하고 이를 통해 충전함으로 기밀라인 전체에 걸쳐 고압가스(G)의 충전이 이루어진다. 그리고 기밀라인에 충전되는 고압가스는 동일 스펙의 밀폐공간에 최대한 압축 충전할 수 있는 질소가스가 바람직하다.

다음으로 물리적 에너지를 발생하는 단계는 상기 충전된 고압가스(G)에 외부의 물리적 힘으로 상기 피스톤로드(120) 및 피스톤(110)의 가압 이동에 의한 상기 피스톤로드(120)의 전진에 따른 체적변화량의 반발력(피스톤로드의 단면적×실린더 내 압력×스트로크)의 물리적 에너지를 발생하는 단계이다.

상기의 물리적 힘은 본 발명의 압력기밀라인을 집약하여 소용량의 휴대용으로 제작할 경우에는 사람의 파지력에 의해 제공할 수 있다.

또한, 본 발명을 대용량으로 제작할 경우에는 자동차의 브레이크나 전동차의 브레이크 작동시에 발생하는 바퀴의 제동에너지에 의해 제공할 수 있다.

상기에서 발생하는 물리적 에너지의 저장단계는 기밀압력라인 내의 압력평형을 위해 상기 제2체크밸브(170)와 제어밸브(150) 구간의 기밀라인에 상기 제1체크밸브(160)에 의해 상기 후방실린더실로의 순환으로 저장하는 단계이다.

즉, 외부의 물리적인 힘에 의해 상기 피스톤로드(120)의 전진이동에 의한 증가되는 체적량으로 가압되는 고압가스(G)는 상기 제1체크밸브(160)의 개방에 의해 압력평형이 이루어지면서 저장된다.

이렇게 저장된 물리적 에너지을 이용한 발전단계는 상기 제어밸브(150)의 개방에 의해 상대적으로 압력이 낮은 상기 제어밸브(150)에서 제2체크밸브의 기밀라인으로 압력평형 이동으로 상기 가스 제네레이터(200)의 스테이터(350)을 회전시켜 스테이터(310)에 의한 전기를 생산하면서 압력이동이 이루어지고, 동시에 상기 피스톤(110) 및 피스톤로드(120)의 복귀(후진)이 이루어지는 단계이다.

여기서, 상기와 같이 압력평형을 위해 이동하는 고압가스의 흐름을 이용하여 상기한 바와같은 가스 제네레이터(200)의 구동에 의해 전기의 생산은 물론 별도의 피구동체의 동력원으로 활용할 수도 있다.

본 발명은 용량 활용에 따라서, 각종 산업분야에서 발생하는 소모성의 물리적 힘을 물리적에너지로 저장하였다가 필요시에 이를 활용해 전기를 생산하여 사용하거나 충전용, 기타 동력의 구동원으로 활용할 수 있다.

100 : 압력용기 실린더 110 : 피스톤
120 : 피스톤로드 130 : 전방 실린더실
140 : 후방 실린더실 150 : 제어밸브
160 : 제1체크밸브 170 : 제2체크밸브
180 : 가스인젝션포트 200 : 가스 제네레이터
210 : 하우징부 211 : 제1 사이드커버
220 : 가스엔진부
221 : 실린더샤프트 230 : 제1실린더
240 : 제2실린더 250 : 제1 로드피스톤
260 : 제2 로드피스톤 270 : 제1 링베어링 하우징
280 : 제2 링베어링 하우징 300 : 발전부
310 : 스테이터 350 : 로터

Claims

실린더실에 고압가스가 충전되고 외부와 기밀된 압력용기 실린더(100)와, 상기 압력용기 실린더의 실린더실에 내설되어 전, 후방 실린더실(130,140)을 구획 기밀한 상태로 설치된 피스톤(110)과, 상기 피스톤(110)의 후방실린더실(140)을 관통하여 외부에 기밀상태로 설치되고 외부의 물리적 힘에 의해 가압이동하는 피스톤로드(120)와, 상기 피스톤(110)의 전진이동에 따른 고압가스의 압축평형을 위해 상기 전방실린더실(130)에서 후방실린더실(140)로의 일방향 이동이 제공되는 제1체크밸브(160)와, 상기 피스톤(110)의 전진이동에 따른 상기 피스톤로드(120)의 체적 이동량 만큼의 압축에 대한 반발력의 저장에너지를 방출하도록 상기 후방실린더실(140) 측에 기밀상태로 연결된 제1관로(A)와, 상기 제1관로(A) 상에 설치되고 방출 고압가스의 속도 및 량을 제어하는 제어밸브(150)와, 상기 제1관로(A)와 연결되어 이동하는 고압가스에 의해 구동하는 가스 제네레이터(200) 및, 상기 가스 제네레이터(200)의 구동 동력으로 활용된 고압가스를 상기 전방실린더실(130)에 리턴하도록 기밀 상태로 연결된 제2관로(B)와, 상기 제2관로(B) 상에 설치되어 상기 가스 제네레이터(200)로의 고압가스 역류를 방지하는 제2체크밸브(170)를 포함하여 외부와 기밀된 상태로 내부에 고압가스가 압력평형을 갖고 충전된 상태의 기밀압력라인으로 구성된 물리적 에너지 저장 시스템에 있어서,
상기 가스 제네레이터(200)는 상기 제1관로(A)의 출력단과 연결되는 제1 및 제2 입력포트(A-1)(A-2)와, 상기 제1, 제2 입력포트(A-1)(A-2)와 대응하여 상기 제2관로(B)의 입력단에 연결되는 제1 및 제2 출력포트(B-1)(B-2)를 구성한 하우징부(210)와,
상기 하우징부(210)의 내부 양측에 축 설치되고 양측방에 상기 제1, 제2 입력포트(A-1)(A-2)와 제1, 제2 출력포트(B-1)(B-2)에 연결하는 상, 하부 오리피스(221a)(221b)를 관통한 제1, 제2 실린더실(231)(241)을 구비한 제1,제2 실린더(230)(240) 상호 간이 90도 교차한 상태로 형성한 실린더샤프트(221)와, 상기 제1, 제2 실린더실(231)(241) 각각에서 고압가스의 가압으로 슬라이드 이동하는 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)과 이들의 각각 로드에 양측에 결합한 상태로 상기 제1, 제2실린더실(231)(241)을 기밀하는 각각의 피스톤캡(P/C)와, 상기 제1, 제2 실린더(230)(240)의 외부에서 슬라이드 직진 이동가능케 조립되며 상기 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)의 로드 양단부와 각각 결합한 상태로 양방에 한쌍의 캠베어링(271)(281)를 구비한 제1, 제2 링베어링 하우징(270)(280)을 포함하되, 상기 제1, 제2 로드피스톤(250)(260)의 직진운동에 의해 상기 제1, 제2 링베어링 하우징(270)(280)이 각 캠베어링(271)(281)에 의해 상기 하우징부(210)의 내부에 형성된 양측의 캠면(편심내륜)(216)(217)을 크로스 상태로 각각 접동회전과 동시에 직진이동하면서 상기 실린더샤프트(221)를 동기회전시키도록 이루어진 가스엔진부(220)와,
상기 실린더샤프트(221)의 제1, 제2 실린더(230)(240) 사이로서 상기 하우징부(210)의 내주면에 조립 고정된 스테이터코어(320) 및 상기 스테이터코어(320)를 지지 조립하는 양측의 절연체(330)(340)로 구성된 스테이터(310)와, 상기 스테이터(310)에 대응하여 실린더샤프트(221)에 조립된 로터코어(360) 및 상기 로터코어(360)에 조립된 마그네트(370)로 구성된 로터(350)로 이루어진 발전부(300)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1관로(A)는 상기 피스톤로드(120)의 이동에 간섭받지 않는 위치이고 상기 피스톤(110)의 최대 후진위치에 간섭받지 않는 위치의 후방실린더실(140)에 연결된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2관로(B)는 상기 피스톤(110)의 최대 전진에 간섭받지 않도록 전방 축 중심 위치에 관통 연결된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1체크밸브(160)는 상기 피스톤로드(120)와 간섭되지 않는 위치로서 상기 피스톤로드(120)와 수평방향의 상기 피스톤(110)에 구성된 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 제1체크밸브(160)는 상기 제1관로(A)와 상기 제2관로(B)를 연결하는 제3관로(C)에 구성되되, 상기 제3관로(C)는 상기 제어밸브(150)의 도입단의 관로와 상기 제2관로(B) 상에 설치된 제2체크밸브(170)의 출력단의 관로에 연결 구성된 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
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제1항에 있어서,
상기 하우징부(210)는 내부에 가공된 축홈(211a)(212a)에 상기 제1, 제2 입력포트(A-1)(A-2)와 제1, 제2 출력포트(B-1)(B-2)가 관통 구성한 제1, 제2 사이드커버(211)(212), 내주면에 각 캠면(편심내륜)을 갖고 상기 제1, 제2 사이드커버(211)(212)에 대향하여 내측에 배치된 제1, 제2 캠링(214)(215) 및, 상기 양측의 제1, 제2 캠링(214)(215) 사이에 배치된 중앙커버(213)로 이루어지되, 각각은 결합계면 사이에 오링(O/R)을 개재한 상태에서 대응 관통된 다수의 볼트공을 통하여 상기 중앙커버(213)를 중심으로 대향방향의 좌, 우에서 체결되는 볼트(B/T)에 의해 상기 제1, 제2사이드커버(211)(212), 상기 제1, 제2 캠링(214)(215) 및 상기 중앙커버(213)의 결합계면이 기밀된 상태로 조립되어 형성한 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1, 제2 캠링(214)(215)은 내주면에 형성된 각 캠면(편심내륜)(216)(217)을 상호간 반대의 대향방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스엔진부(220)는,
상기 제1, 제2 사이드커버(211)(212)의 제1,제2 입력포트(A-1)(A-2)를 통해 가압이동하는 고압가스가 양측의 상기 제1,제2 실린더실(231)(241)에 연통된 상, 하부 오리피스(221a)(221b) 중 어느 하나를 통해 공급되어 상기 제1,제2 로드피스톤(250)(260)의 직진으로 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)이 회전하여 이들 중 어느 하나가 상기 제1,제2 캠링(214)(215) 중 어느 하나의 최대캠면(중심점과의 최소거리의 캠면)과 최소캠면(중심점과의 최대거리의 캠면)에 양측의 캠베어링(271 또는 281)이 일치된 데드포인트(사점) 상태에 있을 때, 다른 하나는 상기 제1,제2 캠링(214 또는 215) 중 다른 하나의 중간캠면에 양측의 캠베어링(271 또는 281)이 위치된 데드포인트 상태가 벗어난 위치로 있는 상기 제1 또는 제2 로드피스톤(250 또는 260)에 가압력이 제공되어 상기 제1 또는 제2 링베어링 하우징(270 또는 280)의 회전이 이루어짐과 동시에 상기 제1,제2 로드피스톤(250)(260)의 직진이동에 의한 상기 제1,제2 실린더실(231)(241)에 충전된 고압가스를 타측 오리피스(221b)를 경유해서 상기 제1,제2 출력포트(B-1)(B-2)를 통한 배출로 고압가스의 흐름이 교번적이고 연속적으로 이루어져 상기 제1, 제2 실린더(230)(240)와 상기 제1,제2 로드피스톤(250)(260)과 동기 회전하는 상기 제1,제2 링베어링 하우징(270)(280)의 각 캠베어링(271)(281)이 상기 제1,제2 캠링(214)(215)의 편심내륜(216)(217)과 각도물림응력(치각스트레스 : nip angle stress) 없이 연속회전으로 상기 발전부(300)의 로터(350)를 회전하여 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제9항에 있어서,
상기 상, 하부 오리피스(221a)(221b)는 회전에 따른 상기 제1,제2 입력포트(A-1)(A-2)와 제1,제2출력포트(B-1)(B-2)에 연결되도록 축 단부 양측의 외주면에 길게 요설되고 구획 형성된 한 쌍의 포트연결장홈(225)(226)에 각각 연통된 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항에 있어서,
상기 발전부(300)의 로터(350)는 상기 로터코어(360)의 외주면에 4분할 형성된 마그네트홈(361)에 호형으로 형성된 마그네트(370)가 각각 조립되고, 상기 로터코어(360)는 2분할되어 중앙부분의 면취부에 맞결합 상태로 용접 조립되고,
상기 마그네트홈(361)은 실린더샤프트(221)의 회전에 따른 원심력 방향의 이탈이 방지되는 내광외협의 테이퍼홈으로 형성하고 이에 맞게 형성된 마그네트(370)를 축방향의 슬라이드 접착 조립으로 고정되어 분할부분이 분리 없이 고정된 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
제1항 또는 제7항에 있어서,
상기 발전부(300)의 스테이터(310)는 축방향으로 등분 형성된 조립홈(321)이 구비된 스테이터코어(320)와, 코일(C/O)을 권선하기 위한 권선돌기(361)가 등분 형성되고, 상기 조립홈(321)의 내주면에 조립돌기(362)로 조립되는 양측의 절연체(330)(340)로 구성되고, 상기 스테이터코어(320)는 외주면에 축방향으로 돌출된 고정돌기(322)를 이용하여 상기 중앙커버(213)의 내부에 요설된 고정홈(213a)에 끼움된 상태로 회전고정이 이루어진 것을 특징으로 하는 물리적 에너지 저장시스템.
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