KR101336428B1 - 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자가 발전장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 좌측 또는 우측 크랭크샤프트에 구비된 페달을 밟아 크랭크샤프트의 장축을 하강시키면 지렛대 원리를 통해 크랭크샤프트의 단축 끝단에 큰 힘이 전달되고 이로서 고속 회전운동을 발생시키는 동시에 되감기 현상을 통해 타측 크랭크샤프트의 장축을 상승시켜 이어지는 타측 크랭크샤프트의 구름 동작을 가능하게 하는 상하 왕복 직선운동을 고속의 회전운동으로 변환하여 발전에 이용할 수 있는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 발전기가 설치된 본체 프레임, 상기 발전기를 중심으로 본체 프레임의 좌우측에 고정된 기준점에서 각각 회동 가능하도록 연결되고 상기 기준점에서 상호간에 일체로 연결되는 서로 다른 길이의 바 형상의 장축 및 단축으로 이루어지며 상기 장축은 단축보다 길이가 길고 단축과 연결되는 쪽과 반대쪽의 끝단에서 사용자가 밟을 수 있는 페달을 구비하고 상기 단축은 장축과 연결되는 쪽과 반대쪽의 끝단에서 일체로 연결된 구동풀리를 구비하는 좌측 및 우측 크랭크샤프트, 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 연결되는 구동축 및 상기 구동축의 좌우 양단에 각각 일체로 연결된 종동풀리로 이루어지고 상기 좌측 및 우측 종동풀리에는 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 구동 풀리에 각각 고정되어 감겨 연장되는 로프 또는 벨트의 간접 동력전달수단이 서로 반대 방향으로 감겨 고정되는 되감기변환부, 상기 구동축의 회전 운동을 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 동력전달부 및 상기 동력전달부에 의한 회전자의 회전운동으로 발전하고 출력단자를 통해 전기 에너지를 외부로 공급하는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치{Independent electric power plants with acceleration pedal using the lever and the rewinder}

본 발명은 자가 발전장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 좌측 또는 우측 크랭크샤프트에 구비된 페달을 밟아 크랭크샤프트의 장축을 하강시키면 지렛대 원리를 통해 크랭크샤프트의 단축 끝단에 큰 힘이 전달되고 이로서 고속 회전운동을 발생시키는 동시에 되감기 현상을 통해 타측 크랭크샤프트의 장축을 상승시켜 이어지는 타측 크랭크샤프트의 구름 동작을 가능하게 하는 상하 왕복 직선운동을 고속의 회전운동으로 변환하여 발전에 이용할 수 있는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치에 관한 것이다.

발전기는 기계적 에너지를 실생활에 다양하게 사용되는 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 기계적 에너지로 발전기의 회전자를 회전시킴으로서 전자기유도에 의해 전기 에너지를 생산하게 된다. 대규모 발전에서는 수력, 화력, 원자력, 조력, 풍력, 지열, 태양열 등 다양한 발전 자원이 활용되고 있으며, 이를 통해 발전된 전기 에너지는 장기간 저장을 위해 축전지에 충전한 후에 필요시 방전하여 사용되기도 한다. 특히, 소형 가전기기에 필요한 전기 에너지를 자가 발전하여 즉시 사용할 수 있는 자가 발전장치가 다양하게 제안되고 있다.

대한민국 공개실용신안 제20-2001-0002344호 “리모콘 전원 공급 장치”에서는 리모콘의 측면에 설치되고 하부에 랙이 설치된 레버, 상기 랙에 맞물리고 레버의 작동에 따라 기어회전을 증속시키는 기어조합, 상기 기어조합의 증속에 따라 회전자가 회전하여 전기를 발생시키는 발전기 및 상기 발전기의 발전에 의해 충전되는 전해콘덴서를 구비하여 구성된 전원 공급 장치가 게시되었는데, 자가 발전에 의해 발전된 전기를 저장하는 전해콘덴서를 주전원으로 사용하여 리모콘을 작동함으로서 유지비용이 들지 않고 건전지를 폐기할 필요가 없어 환경 친화적이라는 장점이 있으나, 사용자가 레버를 잡고 사용하게 되는데 이와 같이 충전 작업을 하는 것은 사용상의 불편함을 초래하는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1078575호 “자가 발전이 가능한 책상”, 대한민국 등록특허 제10-0985403호 “수동 발전식 가로등”에서는 페달을 밟아 발생하는 회전운동을 전기에너지로 전환하는 발전 방식이 게시되었는데, 사용자가 페달을 밟아 발전한다는 점에서 사용상의 불편함은 다소 해소하였으나, 페달에 연결된 크랭크샤프트가 지면에 닿지 않은 상태에서 회전 가능한 길이인 16 ~ 23cm 정도로 제한될 수 밖에 없었으며, 그로 인하여 탑승자가 페달을 밟으면서 기어장치를 돌리는 동력도 한정된 길이를 갖는 크랭크샤프트를 밟음으로 인하여 생성되는 힘의 크기에 제한되는 문제점이 있었다.

한편, 대한민국 공개실용신안 제20-2009-0012950호 “지렛대 페달 자전거”에서는 일정한 기준점을 기준으로 하여 상하 왕복 운동을 할 수 있는 지렛대 페달이 구비된 지렛대 페달 자전거가 게시되었는데, 이는 자가 발전장치가 아니므로 기술분야가 상이하다고 할 것이고, 비록 사용자가 가하는 페달 부분을 회전운동이 아닌 왕복운동이 가능하게 한 새로운 형태의 동력발생장치의 구성을 제안하였으나, 지렛대 페달의 타 측에 회전운동 변환 기어를 직접 연결하여 탑승자가 가한 외력에 의해 회전운동 변환 기어를 직접 회전시키도록 구성되어 지렛대 페달에서 생성된 힘이 회전운동이 일어나는 부분에 증폭된 형태로 전달되지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

본 발명은 사용자가 외력을 가하는 크랭크샤프트를 회전시키지 않고 승강시키는 것만으로 발전기의 회전자를 회전시키는 동력을 생성함으로서 크랭크샤프트의 길이를 600mm 이상으로 형성할 수 있게 하여, 지렛대 원리를 이용하여 적은 힘으로도 높은 회전력을 생성할 수 있게 되어 발전효율을 높일 수 있는 자가 발전장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 되감기 현상을 이용하여 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 연속적인 구름동작을 가능하게 하고 정회전의 회전운동뿐만 아니라 역회전의 회전운동도 발전에 사용할 수 있는 자가 발전장치를 제공하는데 목적이 있다.

이하 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

과제 해결 수단과 관련하여,

본 발명은 발전기가 설치된 본체 프레임, 상기 발전기를 중심으로 본체 프레임의 좌우측에 고정된 기준점에서 각각 회동 가능하도록 연결되고 상기 기준점에서 상호간에 일체로 연결되는 서로 다른 길이의 바 형상의 장축 및 단축으로 이루어지며 상기 장축은 단축보다 길이가 길고 단축과 연결되는 쪽과 반대쪽의 끝단에서 사용자가 밟을 수 있는 페달을 구비하고 상기 단축은 장축과 연결되는 쪽과 반대쪽의 끝단에서 일체로 연결된 구동풀리를 구비하는 좌측 및 우측 크랭크샤프트, 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 연결되는 구동축 및 상기 구동축의 좌우 양단에 각각 일체로 연결된 종동풀리로 이루어지고 상기 좌측 및 우측 종동풀리에는 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 구동 풀리에 각각 고정되어 감겨 연장되는 로프 또는 벨트의 간접 동력전달수단이 서로 반대 방향으로 감겨 고정되는 되감기변환부, 상기 구동축의 회전 운동을 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 동력전달부 및 상기 동력전달부에 의한 회전자의 회전운동으로 발전하고 출력단자를 통해 전기 에너지를 외부로 공급하는 발전기를 포함한다.

상기 되감기변환부는 상기 구동축이 발전기 회전자의 회전축 내부에 베어링 결합하여 회전자의 회전축과 동일 축선 상에서 회전할 수 있다.

상기 동력전달부는 상기 구동축의 정방향 회전운동을 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 정방향동력전달부 및 상기 구동축의 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 역방향동력전달부를 포함할 수 있다.

상기 정방향동력전달부는 상기 구동축의 정방향 회전만을 전달하는 제1 원웨이클러치를 통해 구동축에 회동 가능하도록 결합되는 제1 구동기어 및 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제1 구동기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제1 종동기어에 맞물려서 제1 구동기어의 정방향 회전운동을 그대로 제1 종동기어에 전달하는 제1 전달기어를 포함할 수 있고, 상기 역방향동력전달부는 상기 구동축의 역방향 회전만을 전달하는 제2 원웨이클러치를 통해 구동축에 회동 가능하도록 결합되는 제2 구동기어, 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제2 구동기어에 맞물리는 제1 후진기어 및 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고 상기 제1 후진기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제2 종동기어에 맞물려서 제2 구동기어의 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 제2 종동기어에 전달하는 제2 전달기어를 포함할 수 있다.

상기 정방향동력전달부는 상기 구동축의 정방향 회전만을 전달하는 제1 원웨이클러치를 통해 구동축에 회동 가능하도록 결합되는 제1 구동기어 및 상기 본체 프레임에 슬라이딩 가능하도록 결합되고, 상기 제1 구동기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제1 종동기어에 맞물려서 제1 구동기어의 정방향 회전운동을 그대로 제1 종동기어에 전달하는 제1 선형기어를 포함할 수 있고, 상기 역방향동력전달부는 상기 구동축의 역방향 회전만을 전달하는 제2 원웨이클러치를 통해 구동축에 회동 가능하도록 결합되는 제2 구동기어, 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제2 구동기어에 맞물리는 제1 후진기어 및 상기 본체 프레임에 슬라이딩 가능하도록 결합되고, 상기 제1 후진기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제2 종동기어에 맞물려서 제2 구동기어의 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 제2 종동기어에 전달하는 제2 선형기어를 포함할 수 있다.

상기 크랭크샤프트 단축의 끝단에 일체로 연결된 구동풀리에 병렬 설치된 적어도 하나 이상의 추가 구동풀리 및 상기 구동축의 끝단에 일체로 연결된 종동풀리에 추가 구동풀리의 개수만큼 병렬 설치된 추가 종동풀리로 이루어지고, 상기 첫 번째 구동풀리에 고정된 로프 또는 벨트의 간접 동력전달수단이 종동풀리와 구동풀리를 번갈아가면서 감겨 마지막 종동풀리에 고정되어 연결됨으로서 구동풀리의 상하 왕복 변위를 증폭하여 구동축에 전달하는 변위증폭부를 더 포함할 수 있다.

상기 크랭크샤프트의 장축에 길이 방향으로 삽입되어 슬라이딩 가능하도록 결합되는 연결링크, 상기 연결링크의 끝단에 연결되어 동일 평면상에서 회전하는 구동링크 및 상기 구동링크에 회전력을 제공하는 모터로 이루어지는 대체동력입력부를 더 포함할 수 있다.

상기 대체동력입력부는 상기 모터가 전기, 엔진 또는 배터리에 의해 구동될 수 있다.

상기 대체동력입력부는 상기 모터의 회전속도를 조절하는 감속기를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 전기 에너지를 자가 발전함으로서 환경 친화적이고, 사용자의 손이 아닌 발의 구름동작을 동력원으로 사용함으로써 보다 큰 힘을 낼 수 있고 손으로는 다른 작업을 할 수 있으므로 사용상 불편함을 최대한 해소하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 사용자가 외력을 가하는 크랭크샤프트를 회전시키지 않고 승강시키는 것만으로 발전기의 회전자를 회전시키는 동력을 생성함으로서 크랭크샤프트의 길이를 600mm 이상으로 형성할 수 있게 하여 지렛대 원리를 이용하여 적은 힘으로도 높은 회전력을 생성할 수 있게 되어 발전효율을 높일 수 있고, 되감기 현상을 이용하여 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 연속적인 구름동작을 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 구동축이 발전기 회전자의 회전축 내부에 베어링 결합하도록 하여 구동축이 회전축에 직접적으로 동력을 전달하지 않으면서도 구동축이 차지하는 공간을 절약하고 구동축의 진동을 최소화할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 구동축의 정방향 회전운동을 이용하여 발전할 뿐만 아니라 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 발전함으로서 외부로 손실되는 동력을 최소화할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 사용자가 힘을 가하는 페달과 기준점 사이의 거리와 그 힘에 의해 발전하는 힘을 발생하게 하는 구동풀리와 기준점 사이의 거리 차이가 크기 때문에 발생할 수 있는 직접적인 변위 축소를 병렬 배치한 적어도 하나 이상의 추가 구동풀리와 추가 종동풀리를 감싸는 로프, 벨트 등의 간접 동력전달수단에서의 변위 증가에 의해 보상함으로서 사용자가 페달을 구르는 힘의 손실을 최소화하면서 발전기 회전자의 고속회전이 가능하게 한 효과도 있다.

또한, 본 발명은 연결링크, 구동링크, 감속기 등을 추가 설비하여 사용자가 직접 페달을 구를 수 없는 상황에서도 주위에서 쉽게 발견할 수 있는 회전체에 연결 가능하도록 함으로서 대체수단에 의한 발전이 가능한 효과도 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 정면도.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 평면도.
도 3은, 되감기 현상을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 및 도 5는, 승강 페달이 승강하는 것을 도시한 우측면도.
도 6은, 변위증폭부의 일실시예를 도시한 도면.
도 7은, 변위증폭부의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 8은, 변위증폭부의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 정면도.
도 10은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 평면도.
도 11은, 동력전달부의 다른 실시예를 도시한 도면.

이하에서는 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 정면도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치(10)는 본체 프레임(100), 상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되어 사용자의 발 구름 동작을 입력받는 좌측 크랭크샤프트(200) 및 우측 크랭크샤프트(300), 상기 좌측 또는 우측 크랭크샤프트가 하강하면 타측의 크랭크샤프트를 상승시키는 되감기변환부(400), 상기 좌측 및 우측 크랭크샤프트에 입력된 사용자의 발 구름 동작에 의해 생성된 기계적 에너지를 발전기로 전달하는 동력전달부(500) 및 상기 본체 프레임에 탑재되어 동력전달부를 통해 입력받은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(600)를 포함하여 구성된다.

상기 본체 프레임(100)은 내부에 발전기를 탑재하고 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 끝단이 외부로 돌출되도록 적어도 일 측면이 개구된 형상을 가진다. 또한, 상기 본체 프레임(100)은 자가 발전장치가 필요한 곳으로 이동이 자유롭도록 아랫면에 바퀴 등의 이동수단(미도시)을 구비할 수도 있다.

상기 좌측 크랭크샤프트(200)는 발전기를 중심으로 보았을 때 본체 프레임의 좌측면에 구비된 좌측 기준점(110)에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 좌측 기준점을 중심으로 지렛대 기능을 할 수 있도록 좌측 기준점에서 상호간에 일체로 연결되는 서로 다른 길이의 바(bar) 형상의 장축(210) 및 단축(220)으로 이루어진다.

상기 장축(210)은 단축(220)보다 길이가 길고, 상기 단축(220)에 연결되는 쪽과 반대쪽 끝단에 사용자가 발 구름 동작을 할 수 있는 페달(230)을 구비한다.

상기 단축(220)은 장축(210)에 연결되는 쪽과 반대쪽 끝단에 일체로 연결된 구동풀리(pulley)(240)를 구비하고, 상기 구동풀리(240)의 이동경로를 따라 본체 프레임의 좌측면에 좌측 가이드홈(미도시)이 구비됨으로서 좌측 크랭크샤프트의 시소운동의 범위를 제한하는 것이 바람직하다.

상기 우측 크랭크샤프트(300)는 발전기를 중심으로 보았을 때 본체 프레임의 우측면에 구비된 우측 기준점(120)에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 우측 기준점을 중심으로 지렛대 기능을 할 수 있도록 우측 기준점에서 상호간에 일체로 연결되는 서로 다른 길이의 바(bar) 형상의 장축(310) 및 단축(320)으로 이루어진다.

상기 장축(310)은 단축(320)보다 길이가 길고, 상기 단축(320)에 연결되는 쪽과 반대쪽 끝단에 사용자가 발 구름 동작을 할 수 있는 페달(330)을 구비한다.

상기 단축(320)은 장축(310)에 연결되는 쪽과 반대쪽 끝단에 일체로 연결된 구동풀리(pulley)(340)를 구비하고, 상기 구동풀리(340)의 이동경로를 따라 본체 프레임의 우측면에 우측 가이드홈(미도시)이 구비됨으로서 우측 크랭크샤프트의 시소운동의 범위를 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 좌측 및 우측 크랭크샤프트(200, 300)는 회전 없이 상호 대응되게 상하로 승강하면서 동력을 생성하게 되므로 다시 발 구름을 하기 위해서는 크랭크샤프트가 완전히 회전하여 페달이 원위치에 돌아와야 동력 생성을 연속적으로 할 수 있는 종래의 페달 장치와 달리 크랭크샤프트의 길이에 제한을 받지 않게 되며, 이에 따라 상기 장축(210, 310)은 종래에 160 ~ 230mm에 불과하였던 종래의 페달 장치에서의 크랭크샤프트의 길이를 크게 증가시켜 600 ~ 2000mm에 이르기까지 확대시킬 수 있고 이에 따라 지렛대 효과가 커지게 된다.

상기 되감기변환부(400)는 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되는 구동축(410), 상기 구동축의 좌측 끝단에 일체로 연결된 좌측 종동풀리(420), 상기 구동축의 우측 끝단에 일체로 연결된 우측 종동풀리(430), 상기 좌측 크랭크샤프트의 좌측 구동풀리에 일단이 고정되고 구동축의 좌측 종동풀리에 타단이 고정되는 좌측 간접 동력전달수단(440) 및 상기 우측 크랭크샤프트의 우측 구동풀리에 일단이 고정되고 구동축의 우측 종동풀리에 타단이 고정되는 우측 간접 동력전달수단(450)로 이루어진다.

상기 구동축(410)은 발전기 회전자의 회전축 내부에 베어링 결합하여 회전축과 동일 축선 상에서 회전하는 것이 바람직하다. 이때 상기 구동축(410)은 베어링 결합에 의해 발전기 회전자의 회전축에 직접 마찰에 의한 동력 전달을 최소화한다.

상기 간접 동력전달수단(440, 450)은 서로 떨어져 있는 구동풀리와 종동풀리 사이에 동력을 전달할 수 있는 로프 또는 벨트를 의미한다. 상기 좌측 간접 동력전달수단(440)과 우측 간접 동력전달수단(450)은 구동풀리에서는 동일한 방향으로 감기지만 종동풀리에서는 서로 반대 방향으로 감기는 것을 특징으로 한다.

상기 동력전달부(500)는 구동축의 정방향 회전운동을 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 정방향동력전달부 및 상기 구동축의 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 역방향동력전달부를 포함하여 구성된다. 한편, 상기 동력전달부(500)는 정방향동력전달부 또는 역방향동력전달부 중 어느 하나만을 구비할 수도 있으나, 양자 모두를 구비하는 것이 발전효율 측면에서 바람직하다.

상기 정방향동력전달부는 구동축에 제1 원웨이클러치를 통해 결합되는 제1 구동기어(510) 및 상기 제1 구동기어와 제1 종동기어에 동시에 맞물려서 제1 구동기어의 동력을 제1 종동기어로 전달하는 제1 전달기어(520)로 이루어진다. 여기서 제1 종동기어(610)는 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합되어 회전축과 함께 회전하는 기어를 의미한다.

상기 제1 구동기어(510)는 제1 원웨이클러치에 의해 구동축의 정방향 회전운동만을 전달받으므로, 상기 구동축이 정방향 회전운동을 하는 경우에는 구동축과 함께 회전하고, 상기 구동축이 역방향 회전운동을 하는 경우에는 회전하지 않는다. 상기 원웨이클러치(one way clutch)는 공지된 기계요소로서 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

상기 제1 전달기어(520)는 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되는 것이 바람직하다.

상기 역방향동력전달부는 구동축에 제2 원웨이클러치를 통해 결합되는 제2 구동기어(530), 상기 제2 구동기어에 맞물리는 제1 후진기어(540) 및 상기 제1 후진기어와 제2 종동기어에 동시에 맞물려서 제1 후진기어의 동력을 제2 종동기어로 전달하는 제2 전달기어(550)로 이루어진다. 여기서 제2 종동기어(620)는 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합되어 회전축과 함께 회전하는 기어를 의미한다.

상기 제2 구동기어(530)는 제2 원웨이클러치에 의해 구동축의 역방향 회전운동만을 전달받으므로, 상기 구동축이 역방향 회전운동을 하는 경우에는 구동축과 함께 회전하고, 상기 구동축이 역방향 회전운동을 하는 경우에는 회전하지 않는다.

상기 제1 후진기어(540)는 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되는 것이 바람직하다.

상기 제2 전달기어(550)는 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되는 것이 바람직하다.

상기 동력전달부는 도 11에 도시된 다른 실시예에서처럼 상기 구동축의 회전에 따라 상하로 승강하는 제1 선형기어(560) 및 상기 제1 선형기어와 제1 종동기어에 동시에 맞물리고 제1 선형기어의 상방 운동의 동력만을 제1 종동기어로 전달하도록 제3 원웨이클러치(미도시)를 구비하는 제3 전달기어(570)를 포함하는 정방향동력전달부 및 상기 구동축의 회전에 따라 상하로 승강하는 제2 선형기어(580), 상기 제2 선형기어와 제2 후진기어(595)에 맞물리고 제2 선형기어의 하방 운동의 동력만을 제2 후진기어로 전달하도록 제4 원웨이클러치(미도시)를 구비하는 제4 전달기어(590) 및 상기 제4 전달기어와 제2 종동기어에 동시에 맞물리는 제2 후진기어(595)를 포함하는 역방향 동력전달부로 이루어질 수도 있다.

상기 발전기(600)는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 상기 정방향동력전달부의 제1 전달기어에 맞물리는 제1 종동기어(610) 및 상기 역방향동력전달부의 제2 전달기어에 맞물리는 제2 종동기어(620)가 회전축(630)에 일체로 결합된 회전자를 구비한다. 상기 회전자의 회전운동으로 발전하는 발전기는 공지된 장치로서 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 발전기(600)는 회전자의 회전운동으로 발전된 전기 에너지를 외부로 공급하는 출력단자(640)를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치(10)는 구동풀리의 상하 왕복 변위를 증폭하여 구동축에 전달하는 변위증폭부를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 변위증폭부는 좌측 구동풀리의 상하 왕복 변위를 증폭하기 위해 좌측 크랭크샤프트 단축의 끝단에 일체로 연결된 좌측 구동풀리(240)에 병렬 설치된 적어도 하나 이상의 추가 구동풀리(242, 244) 및 상기 구동축의 좌측 끝단에 일체로 연결된 좌측 종동풀리(420)에 추가 구동풀리(242, 244)의 개수만큼 병렬 설치된 추가 종동풀리(422, 424)로 이루어지고, 우측 구동풀리의 상하 왕복 변위를 증폭하기 위해 우측 크랭크샤프트 단축의 끝단에 일체로 연결된 우측 구동풀리(340)에 병렬 설치된 적어도 하나 이상의 추가 구동풀리(342, 344) 및 상기 구동축의 우측 끝단에 일체로 연결된 우측 종동풀리(430)에 추가 구동풀리(342, 344)의 개수만큼 병렬 설치된 추가 종동풀리(432, 434)로 이루어진다. 도 1 및 도 2에서는 2개의 추가 구동풀리(242, 244, 342, 344)와 2개의 추가 종동풀리(422, 424, 432, 434)가 추가되는 것으로 도시되어 있으나, 후술하는 도 6 내지 도 8에 도시된 것처럼 원하는 증폭비율에 따라 추가되는 개수를 조절할 수 있다.

상기 변위증폭부가 추가된 경우에는 원래 좌측 구동풀리(240)와 좌측 종동풀리(420)를 연결하던 간접 동력전달수단(440)은 첫 번째 좌측 구동풀리에 고정되고 첫 번째 좌측 종동풀리, 두 번째 좌측 구동풀리, 두 번째 좌측 종동풀리 및 세 번째 좌측 구동풀리를 차례대로 거쳐 세 번째 좌측 종동풀리에 고정되고, 원래 우측 구동풀리(340)와 우측 종동풀리(430)를 연결하던 간접 동력전달수단(450)은 첫 번째 우측 구동풀리에 고정되고 첫 번째 우측 종동풀리, 두 번째 우측 구동풀리, 두 번째 우측 종동풀리 및 세 번째 우측 구동풀리를 차례대로 거쳐 세 번째 우측 종동풀리에 고정된다.

이하에서는 첨부된 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치(10)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 되감기 현상을 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 및 도 5는 승강 페달이 승강하는 것을 도시한 우측면도, 도 6은 변위증폭부의 일실시예를 도시한 도면, 도 7은 변위증폭부의 다른 실시예를 도시한 도면, 도 8은 변위증폭부의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전장치(10)는 사용자가 페달(230, 330)을 번갈아 밟아주어 입력하는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 환경 친화적인 발전장치이다. 또한, 사용자는 자가 발전장치(10)를 이용하여 발전하는 동안에도 손을 자유롭게 사용할 수 있으므로 일반 사무실 등의 작업공간에 설치하여 사용함으로서 작업공간에서 사용하는 전기도 절약하고 장시간 작업으로 인해 굳은 몸도 운동으로 풀어주는 효과도 있다.

사용자가 도 1에 도시된 자가 발전장치(10)의 좌측 페달(230)을 밟으면 좌측 크랭크샤프트(200)는 본체 프레임에 설치된 좌측 기준점(110)을 중심으로 회전하고, 장축(210)은 하강하고 단축(220)은 상승하게 된다.

상기 단축(220)이 상승하면 단축의 끝단에 설치된 좌측 구동풀리(240)도 함께 상승하고 단축의 상승 변위만큼 구동축의 좌측 종동풀리(420)에 감긴 간접 동력전달수단(440)이 풀리면서 구동축(410)이 회전하게 된다. 상기 구동축(410)이 회전하면 동력전달부(500)를 통해 발전기의 회전축으로 회전운동이 전달될 뿐만 아니라, 되감기변환부(400)를 통해 우측 종동풀리(430)에서 풀려있던 간접 동력전달수단(450)이 감기면서 간접 동력전달수단의 일단에 고정된 우측 구동풀리(340)가 하강하고 우측 구동풀리에 일체로 결합된 단축(320)도 하강하며 우측 크랭크샤프트(300)는 우측 기준점(120)을 중심으로 회전하게 되어 장축(310)이 상승함으로서 사용자가 우측 페달(330)에 대한 구름 동작을 할 수 있는 상태로 만들어준다. 상기 구동축(410)의 회전에 따라 좌측 구동풀리(240)와 우측 구동풀리(340)가 서로 다른 형태의 운동을 하는 원리는 간접 동력전달수단(440, 450)이 종동풀리(420, 430)에 감기는 방향에 차이를 두었기 때문이고 이는 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.

상기 구동축(410)이 회전하였을 때 동력전달부(500)를 통해 발전기의 회전축(630)이 회전하게 되는 과정을 설명하면, 좌측 페달(240)을 밟았을 때의 구동축(410)의 회전 방향을 정방향이라고 한다면, 구동축(410)의 정방향 회전 동력은 제1 원웨이클러치를 통해 제1 구동기어(510)로 전달되고, 제1 구동기어(510)의 회전 동력은 제1 전달기어(520)를 통해 제1 종동기어(610)로 전달되며, 제1 종동기어(610)에 일체로 결합된 회전축(630)과 함께 발전기 회전자가 회전함으로서 발전하게 된다. 이때 구동축(410)의 정방향 회전 동력은 제2 원웨이클러치에 의해 걸러져서 제2 구동기어(530)로는 전달되지 않는다. 즉, 상기 구동축(410)이 정방향으로 회전하게 되면 정방향동력전달부에 의해서만 동력이 전달되고 역방향동력전달부에 의해서는 동력이 전달되지 않는다.

한편, 자가 발전장치(10)는 사용자가 힘을 가하는 페달과 기준점 사이의 거리와 그 힘에 의해 발전하는 힘을 발생하게 하는 구동풀리와 기준점 사이의 거리 차이가 크기 때문에 발생할 수 있는 직접적인 변위 축소를 적어도 하나 이상의 추가 구동풀리와 추가 종동풀리를 병렬 배치하여 이들을 감싸는 로프, 벨트 등의 간접 동력전달수단에서의 변위 증가에 의해 보상함으로서 발전기 회전자의 고속회전이 가능하게 하는데, 이는 도 6 내지 도 8에 개략적으로 도시되어 있다.

도 6에 도시된 것처럼 추가 구동풀리와 종동풀리 없이 기본적인 구동풀리와 종동풀리만이 설치된 경우에는 구동풀리(240)의 상하 이동 변위의 크기를 1이라고 하면 종동풀리(420)에 감기거나 풀리는 길이는 1로 동일하다.

도 7에 도시된 것처럼 각각 2개의 추가 구동풀리와 종동풀리를 설치한 경우에는 구동풀리(240)의 상하 이동 변위의 크기를 1이라고 하면 종동풀리(420)에 감기거나 풀리는 길이는 5가 된다.

도 8에 도시된 것처럼 각각 3개의 추가 구동풀리와 종동풀리를 설치한 경우에는 구동풀리(240)의 상하 이동 변위의 크기를 1이라고 하면 종동풀리(420)에 감기거나 풀리는 길이는 7이 된다.

즉, 구동풀리 또는 종동풀리의 개수를 n이라고 하면 변위증폭부에 의해 증폭되는 비율은 (2n-1)배가 된다는 것을 관찰할 수 있다. 이는 지렛대 원리를 위해 단축에 구동풀리를 설치함으로서 발생할 수 있는 변위 축소를 원하는 배율로 만회할 수 있게 한다.

사용자가 자가 발전장치(10)의 우측 페달(330)을 밟으면 우측 크랭크샤프트(300)는 본체 프레임에 설치된 우측 기준점(120)을 중심으로 회전하고, 장축(310)은 하강하고 단축(320)은 상승하게 된다.

상기 단축(320)이 상승하면 단축의 끝단에 설치된 우측 구동풀리(340)도 함께 상승하고 단축의 상승 변위만큼 구동축의 우측 종동풀리(430)에 감긴 간접 동력전달수단(450)이 풀리면서 구동축(410)이 회전하게 된다. 상기 구동축(410)이 회전하면 동력전달부(500)를 통해 발전기의 회전축으로 회전운동이 전달될 뿐만 아니라, 되감기변환부(400)를 통해 좌측 종동풀리(420)에서 풀려있던 간접 동력전달수단(440)이 감기면서 간접 동력전달수단의 일단에 고정된 좌측 구동풀리(240)가 하강하고 좌측 구동풀리에 일체로 결합된 단축(220)도 하강하며 좌측 크랭크샤프트(200)는 좌측 기준점(110)을 중심으로 회전하게 되어 장축(210)이 상승함으로서 사용자가 좌측 페달(230)에 대한 구름 동작을 할 수 있는 상태로 만들어준다.

상기 구동축(410)이 회전하였을 때 동력전달부(500)를 통해 발전기의 회전축(630)이 회전하게 되는 과정을 설명하면, 우측 페달(340)을 밟았을 때의 구동축(410)의 회전 방향은 좌측 페달(240)을 밟았을 때의 구동축(410)의 회전 방향과 반대이므로 역방향이라고 한다면, 구동축(410)의 역방향 회전 동력은 제2 원웨이클러치를 통해 제2 구동기어(530)로 전달되고, 제2 구동기어(530)의 회전 동력은 제1 후진기어(540)와 제2 전달기어(550)를 차례로 거쳐 제2 종동기어(620)로 전달되며, 제2 종동기어(620)에 일체로 결합된 회전축(630)과 함께 발전기 회전자가 회전함으로서 발전하게 된다. 이때 구동축(410)의 역방향 회전 동력은 제1 원웨이클러치에 의해 걸러져서 제1 구동기어(510)로는 전달되지 않는다. 즉, 상기 구동축(410)이 역방향으로 회전하게 되면 역방향동력전달부에 의해서만 동력이 전달되고 정방향동력전달부에 의해서는 동력이 전달되지 않는다.

이하에서는 첨부된 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치를 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 정면도, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치를 도시한 평면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치(10)는 사용자가 직접 페달을 밝을 수 없는 상황에서도 자가 발전장치의 크랭크샤프트를 통해 동력을 입력할 수 있는 대체동력입력부(700)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 대체동력입력부(700)는 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 장축 끝단에 길이 방향으로 삽입되어 슬라이딩 가능하도록 결합되는 연결링크(710), 상기 연결링크의 끝단에 회동 가능하도록 일단이 연결된 구동링크(720) 및 상기 구동링크에 연결되어 회전력을 제공하는 모터(730)를 포함하여 구성된다.

상기 모터(730)는 엔진, 전기 또는 배터리에 의해 구동되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 대체동력입력부(700)는 모터의 회전속도를 조절하는 감속기(740)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 상기 감속기(740)는 기어 조합에 의해 이루어지는 것이 일반적이고, 이는 공지된 장치로서 자세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전장치(10)는 대체동력입력부(700)를 추가로 구비하는 경우에 모터의 용량이나 감속기의 비율은 모든 용량이 가능하다고 할 것이다. 특히, 상기 감속기(740)의 폭이 발전기(600)의 폭보다 넓은 경우에는 도 10에 도시된 것처럼 크랭크샤프트(200, 300)를 절곡 성형하여 사용할 수도 있을 것이다.

상기 대체동력입력부(700)가 추가된 경우에 자가 발전장치(10)의 작동을 간단히 설명하면, 모터(730)가 작동하면 이에 연결된 감속기(740)를 통해 원하는 수준으로 회전 속도를 조절한 후에 구동링크(720)를 회전시키고, 구동링크가 회전하면 이에 연결된 연결링크(710)가 크랭크샤프트의 길이 방향으로 형성된 구멍에 의해 안내되어 크랭크샤프트의 길이 방향으로 삽입되거나 돌출됨으로서 크랭크샤프트(200, 300)의 상하 왕복 운동을 발생시키게 된다. 크랭크샤프트(200, 300)의 상하 왕복 운동에 따른 발전 작동은 위에서 설명한 것과 같다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10 : 자가 발전장치
100 : 본체 프레임
110, 120 : 기준점
200 : 좌측 크랭크샤프트
210 : 장축
220 : 단축
230 : 페달
240, 242, 244 : 구동풀리
300 : 우측 크랭크샤프트
310 : 장축
320 : 단축
330 : 페달
340, 342, 344 : 구동풀리
400 : 되감기변환부
410 : 구동축
420, 422, 424, 430, 432, 434 : 종동풀리
440, 450 : 간접 동력전달수단
500 : 동력전달부
510 : 제1 구동기어
520 : 제1 전달기어
530 : 제2 구동기어
540 : 제1 후진기어
550 : 제2 전달기어
560 : 제1 선형기어
570 : 제3 전달기어
580 : 제2 선형기어
590 : 제4 전달기어
595 : 제2 후진기어
600 : 발전기
610 : 제1 종동기어
620 : 제2 종동기어
630 : 회전축
640 : 출력단자
700 : 대체동력입력부
710 : 연결링크
720 : 구동링크
730 : 모터
740 : 감속기

Claims (9)

1. 발전기가 설치된 본체 프레임;
   상기 발전기를 중심으로 본체 프레임의 좌우측에 고정된 기준점에서 각각 회동 가능하도록 연결되고, 상기 기준점에서 상호간에 일체로 연결되는 서로 다른 길이의 바 형상의 장축 및 단축으로 이루어지며, 상기 장축은 단축보다 길이가 길고 단축과 연결되는 쪽과 반대쪽의 끝단에서 사용자가 밟을 수 있는 페달을 구비하고, 상기 단축은 장축과 연결되는 쪽과 반대쪽의 끝단에서 일체로 연결된 구동풀리를 구비하는 좌측 및 우측 크랭크샤프트;
   상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 연결되는 구동축 및 상기 구동축의 좌우 양단에 각각 일체로 연결된 종동풀리로 이루어지고, 상기 좌측 및 우측 종동풀리에는 좌측 및 우측 크랭크샤프트의 구동 풀리에 각각 고정되어 감겨 연장되는 로프 또는 벨트의 간접 동력전달수단이 서로 반대 방향으로 감겨 고정되는 되감기변환부;
   상기 구동축의 회전 운동을 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 동력전달부; 및
   상기 동력전달부에 의한 회전자의 회전운동으로 발전하고 출력단자를 통해 전기 에너지를 외부로 공급하는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 되감기변환부는,
   상기 구동축이 발전기 회전자의 회전축 내부에 베어링 결합하여 회전자의 회전축과 동일 축선 상에서 회전하는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 동력전달부는,
   상기 구동축의 정방향 회전운동을 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 정방향동력전달부; 및
   상기 구동축의 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 발전기 회전자의 회전축에 전달하는 역방향동력전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 정방향동력전달부는,
   상기 구동축의 정방향 회전만을 전달하는 제1 원웨이클러치를 통해 구동축에 회동 가능하도록 결합되는 제1 구동기어; 및
   상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제1 구동기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제1 종동기어에 맞물려서 제1 구동기어의 정방향 회전운동을 그대로 제1 종동기어에 전달하는 제1 전달기어를 포함하여 구성되고,
   상기 역방향동력전달부는,
   상기 구동축의 역방향 회전만을 전달하는 제2 원웨이클러치를 통해 구동축에 회동 가능하도록 결합되는 제2 구동기어;
   상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제2 구동기어에 맞물리는 제1 후진기어; 및
   상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제1 후진기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제2 종동기어에 맞물려서 제2 구동기어의 역방향 회전운동을 정방향으로 변환하여 제2 종동기어에 전달하는 제2 전달기어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 정방향동력전달부는,
   상기 구동축의 회전에 따라 상하로 승강하는 제1 선형기어; 및
   상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제1 선형기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제1 종동기어에 동시에 맞물리고 상기 제1 선형기어의 상방 운동의 동력만을 제1 종동기어에 전달하도록 제3 원웨이클러치를 구비한 제3 전달기어를 포함하고,
   상기 역방향동력전달부는,
   상기 구동축의 회전에 따라 상하로 승강하는 제2 선형기어;
   상기 본체 프레임에 회동 가능하도록 결합되고, 상기 제2 선형기어에 맞물리고 제2 선형기어의 하방 운동의 동력만을 전달하도록 제4 원웨이클러치를 구비한 제4 전달기어; 및
   상기 제4 전달기어와 발전기 회전자의 회전축에 일체로 결합된 제2 종동기어에 동시에 맞물려서 제4 전달기어의 동력을 제2 종동기어에 전달하는 제2 후진기어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 크랭크샤프트 단축의 끝단에 일체로 연결된 구동풀리에 병렬 설치된 적어도 하나 이상의 추가 구동풀리; 및
   상기 구동축의 끝단에 일체로 연결된 종동풀리에 추가 구동풀리의 개수만큼 병렬 설치된 추가 종동풀리로 이루어지고, 첫 번째 구동풀리에 고정된 로프 또는 벨트의 간접 동력전달수단이 종동풀리와 구동풀리를 번갈아가면서 감겨 마지막 종동풀리에 고정되어 연결됨으로서 구동풀리의 상하 왕복 변위를 증폭하여 구동축에 전달하는 변위증폭부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 크랭크샤프트의 장축에 길이 방향으로 삽입되어 슬라이딩 가능하도록 결합되는 연결링크;
   상기 연결링크의 끝단에 연결되어 동일 평면상에서 회전하는 구동링크; 및
   상기 구동링크에 회전력을 제공하는 모터로 이루어지는 대체동력입력부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 대체동력입력부는,
   상기 모터가 전기, 엔진 또는 배터리에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 대체동력입력부는,
   상기 모터의 회전속도를 조절하는 감속기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지렛대 원리와 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자가 발전장치.

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