KR101489731B1 - 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체 및 이를 이용한 수중 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 수중 전기 회전체에 있어서, 그 일부가 수중 환경에서 회전 운동하는 회전축; 상기 회전축의 외면 일부를 감싸며 설치되어 상기 회전축과 같이 회전하는 회전자; 상기 회전자에 대응하여 상기 회전자와 일정 간격 이격되어 상기 회전자를 둘러싸도록 형성되어 전기 에너지로 상기 회전자를 회전시키거나 상기 회전자의 회전에 따라 전기 에너지를 발생시키는 고정자; 및 상기 회전축에 수직하게 형성되며 상기 회전축이 관통하여 상기 회전축의 회전을 용이하게 하는 관통홀이 형성된 격벽으로 구분되어, 상기 회전축 방향을 따라 순차적으로 형성된 적어도 2개 이상의 방수 공간을 그 내부에 갖는 하우징을 포함하며, 상기 하우징의 상기 2개 이상의 방수 공간 중 상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 방수 공간을 중심으로 최외측에 위치한 방수 공간이 대기압 상온에서의 물보다 비중 또는 점도가 높은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체와 이를 이용한 수중 발전기이며, 이와 같은 본 발명에 의하면, 별도의 복잡한 기계적 구성을 도입하지 안하고 간단한 내부 방수 구조를 통해 저렴한 비용으로 수중 환경에서 구동할 수 있는 수중 전기 회전체와 수중 발전기를 제공할 수 있게 된다.

Description

방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체 및 이를 이용한 수중 발전기 {Submersible electric rotating body with waterproofing structure and underwater power generator using this}

본 발명은 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체 및 이를 이용한 수중 발전기에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 수중 전동기 또는 수중 발전기 등의 수중 전기 회전체에서 방수를 위한 2개 이상의 방수 공간을 형성시키고 이들 방수 공간에 서로 다른 비중 또는 점도를 갖는 물질을 충진시켜 충진 물질의 비중차이 또는 물보다 큰 점도에 의해 그 내부로 물이 스며들지 않는 구조를 갖는 수중 전기 회전체와 이를 이용한 수중 발전기에 관한 것이다.

수중 환경에서 구동되는 수력 발전기, 수중 모터, 수중 펌프 등은 항상 물과 직접적으로 맞닿아 작동하므로, 그 내부로 물의 침투가 빈번하며 내부로 스며든 물기에 의해 내부 전기 부품에 숏트가 발생하는 등으로 인한 기기의 파손과 사용 수명의 단축이 가장 큰 문제이다.

따라서 이와 같은 수중 전기 회전체에 방수 구조 및 기능을 부여하여 물의 침투를 방지하는 것이 대단히 중요하여 이에 대한 다양한 방수 구조 및 방법들이 제시되고 있다.

다양한 종래의 방수 방안으로서, 메카니칼 씰(Mechanical Seal), 오일 씰(Oil Seal), 그랜드 패킹(Gland Packing) 등이 주로 이용되고 있는데, 메카니칼 씰의 경우에는 부품의 마모현상이 적고 접촉면이 씰 페이스(Seal face)에 국한되므로 마찰계수 적어 동력손실이 거의 없으며 수명이 길어 장기간 연속운전이 가능한 장점이 있으나 부품수가 많고 복잡하여 초기 설비비용이 상당히 고가인 단점을 가지고 있다. 또한 그랜드 패킹의 경우에는 부품수가 적고 간소하여 초기 설치 비용이 저렴한 장점이 있으나 접촉압력이 커서 접촉저항에 따른 동력 손실이 많고 마모현상으로 인해 수명이 짧아 사용 기간 내내 정기적인 보수가 필요하고 교환 및 점검기간이 필요한 단점이 있다.

최근 가장 많이 이용되고 있는 메카니칼 씰을 이용한 방수 방안에 대하여 좀 더 살펴보자면, 도 1은 종래의 메카니컬 실을 이용한 수중 발전기의 방수 구조를 도시한다.

수중 발전기는 기본적으로 중심 회전축(15)에 장착되어 회전축(15)과 같이 회전하는 회전자(16)와 회전자(15)의 회전 운동에 따라 유도 기전력을 발생시키고 이를 전기 에너지로 변환시키는 고정자(17)를 포함하며, 이들을 내부에 포함하는 하우징(11)으로 구성되며, 회전축(15)의 끝단에는 물의 흐름에 따라 회전 운동을 발생시키기 위한 블레이드(18)가 장착된다.

회전축(15)은 하우징(11) 외부에 위치되는 블레이드(18)와 연결되기 위해 하우징(11) 일단을 관통하여 외부까지 연장되며, 하우징(11)을 관통한 회전축(15) 부위에 방수 기능과 함께 회전축(15)의 회전을 용이하게 하기 위한 메카니칼 씰(12)이 장착된다.

메카니칼 씰(12)은 개략적으로 회전축(15)에 고정되어 회전축(15)과 함께 회전하는 회전부(rotary part)(12a)와 하우징(11)에 고정되는 고정부(stationary part)(12b)로 구성되며, 기계적 구조를 갖춘 페이스 씰(face seal)이 샤프트(shaft)에 수직된 섭동면으로 구성되어 한 면이 회전축과 함께 회전하면서 스프링의 장력 또는 유체의 압력으로 회전부의 밀봉을 지속적으로 유지시키게 된다.

이와 같은 메카니칼 씰은 방수 기능이 우월하지만 기계적 구조에 따른 복잡성으로 단가가 높아 수중 전기 회전체의 제조 가격을 상승시키며, 이로 인해 일반적으로 저렴한 수중 모터나 수중 발전기 등의 수중 전기 회전체에 적용이 적절하지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 수중 환경에서 구동되는 수중 전기 회전체의 내부 방수 구조를 통해 저렴한 비용으로 수중 환경에서 구동할 수 있는 수중 전기 회전체를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

특히, 그랜드 패킹 등의 저렴한 설치 비용의 방수 방안이 갖는 동력 손실의 발생과 수명이 짧고 유지 보수 등의 관리가 필요한 문제점을 극복하고, 효과적인 방수 방안인 메카니칼 씰의 이용에 따른 비싼 설치 비용의 문제점을 해결하고자 한다.

나아가서 발전기 자체가 수중에 위치함으로써 직접적인 구동 전달에 따른 발전 효율을 높이는 동시에 물의 량이 적은 수중 환경에서도 효과적인 발전 능력을 가질 수 있는 수중 발전기를 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 수중 전기 회전체에 있어서, 그 일부가 수중 환경에서 회전 운동하는 회전축; 상기 회전축의 외면 일부를 감싸며 설치되어 상기 회전축과 같이 회전하는 회전자; 상기 회전자에 대응하여 상기 회전자와 일정 간격 이격되어 상기 회전자를 둘러싸도록 형성되어 전기 에너지로 상기 회전자를 회전시키거나 상기 회전자의 회전에 따라 전기 에너지를 발생시키는 고정자; 및 상기 회전축에 수직하게 형성되며 상기 회전축이 관통하여 상기 회전축의 회전을 용이하게 하는 관통홀이 형성된 격벽으로 구분되어, 상기 회전축 방향을 따라 순차적으로 형성된 적어도 2개 이상의 방수 공간을 그 내부에 갖는 하우징을 포함하며, 상기 하우징의 상기 2개 이상의 방수 공간 중 상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 방수 공간을 중심으로 최외측에 위치한 방수 공간이 대기압 상온에서의 물보다 비중 또는 점도가 높은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체이다.

본 발명에 따른 하나의 실시예로서, 상기 하우징의 방수 공간은, 상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 제1 방수 공간; 및 상기 제1 방수 공간의 양측단에 접하여 각각 위치되는 2개의 제2 방수 공간을 포함하며, 상기 제1 방수 공간이 상기 제2 방수 공간보다 비중 또는 점도가 낮은 물질로 채워질 수 있다.

본 발명에 따른 다른 하나의 실시예로서, 상기 하우징의 방수 공간은, 상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 제1 방수 공간; 및 그 일측면은 상기 제1 방수 공간에 접하고 그 타측면은 수중에 접하는 제2 방수 공간을 포함하며, 상기 제1 방수 공간이 상기 제2 방수 공간보다 비중 또는 점도가 낮은 물질로 채워질 수 있다.

바람직하게는 상기 제1 방수 공간은 물보다 비중 또는 점도가 낮은 물질로 채워지고, 상기 제2 방수 공간은 물보다 비중 또는 점도가 높은 물질로 채워질 수 있다.

나아가서 상기 관통홀에는, 상기 회전축을 감싸며 상기 회전축의 회전을 용이하게 하는 베어링 또는 씰링이 장착될 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 방수 공간을 채우는 물질은, 분말을 포함하는 액체 또는 겔(Gel) 형태를 포함할 수 있다.

한걸음 더 나아가서 상기 회전축의 일측 끝단의 수중 상에 위치하되, 상기 회전축의 일측 끝단을 중심으로 복수개의 블레이드가 방사형태로 형성되어 유체 흐름에 따라 상기 회전축을 회전시킬 수 있다.

또는 상기 회전축은, 그 중심부가 관통되어 유체가 흐르는 원통으로 형성되고, 상기 회전축의 원통 내부면으로부터 그 중심부를 향해 복수개의 블레이드가 돌출되어 형성되어, 상기 회전축의 원통 내부의 유체 흐름에 따라 상기 회전축을 회전시킬 수도 있다.

바람직하게는 상기 제2 방수 공간의 측면에는 상기 제2 방수 공간에 충진된 물질을 배출 또는 주입하기 위한 하나 이상의 충진물질 유출입 수단이 형성될 수 있다.

나아가서 본 발명의 또 다른 특징적 구성은, 상기의 본 발명에 따른 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체수중 전기 회전체를 이용한 수중 발전기로서, 상기 회전축은 유수 방향과 수직으로 설치되고, 상기 회전축의 둘레에 방사형 구조로 복수의 지지대가 배치되며, 상기 지지대의 끝단에 상기 회전축과 나란한 방향으로 길게 설치되어 유수의 흐름에 따라 상기 회전축을 회전시키는 복수개의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 발전기이다.

바람직하게는 상기 블레이드는, 상기 지지대에 연결된 지지 날개와, 이 지지 날개와 분할된 하나 또는 복수의 가변 날개와, 상기 지지 날개와 가변 날개를 연결하는 연결 부재를 포함하여 구성되되, 상기 가변 날개는 상기 블레이드의 회전 방향에 대하여 지지 날개를 중심으로 안쪽 방향 또는 바깥쪽 방향 중 적어도 어느 한쪽 방향으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다.

더욱 바람직하게는 상기 블레이드는, 상기 가변 날개와 지지 날개 사이의 이격 거리를 가변시켜 상기 블레이드의 크기를 변화시킬 수 있도록 구성될 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 별도의 복잡한 기계적 구성을 도입하지 안하고 간단한 내부 방수 구조를 통해 저렴한 비용으로 수중 환경에서 구동할 수 있는 수중 전기 회전체를 제공할 수 있게 된다.

특히 복수개의 방수 공간을 각각 비중 또는 점도가 상이한 물질로 충진시키되 물이 침투할 수 있는 최외각의 방수 공간에는 물보다 비중이 큰 물질이나 점도가 큰 물질을 충진시켜 비중 차이 또는 점도로 인해 외부의 물이 침투하지 않는 방수 구조를 제시함으로써 제조 단가는 낮추면서도 효과적인 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체를 제공할 수 있다.

나아가서 방수 공간의 충진 물질들은 인체에 무해한 물질로 적용하여 일반적인 기계 장치들의 오염 물질 배출에 따른 환경 오염을 방지할 수 있다.

또한 방수 공간을 나노 분말 등의 미세 분말이나 미세 분말을 함유한 용액이나 겔(gel) 형태의 물질로 충진함으로써 외부 물과의 비중 또는 점도 차이를 더욱 높여 물의 침투를 더욱 효과적으로 막을 수 있다.

한걸음 더 나아가서 방수 공간에 침투된 이물질을 제거하고 해당 물질을 충진하기 위한 충진물질 유출입 수단을 형성시켜 수중 전기 회전체의 유지 보수를 용이하게 할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 수중 발전기에 의하면 간단한 방수 구조를 통해 발전기 자체가 수중에 위치하여 발전이 가능하며, 나아가서 유수 방향과 수직인 회전축과 블레이드를 장착함으로써 회전축이 직접적으로 발전기의 회전자와 결합되면서도 발전기 본체가 물과 접촉되는 부분을 최소화시킬 수 있고 발전기 본체가 발전 시설의 외부로 드러나지 않도록 설치되어 외력에 의한 훼손을 방지하고 발전기 본체의 유지와 보수를 더욱 용이하게 수행할 수 있게 된다.

특히 수직축 블레이드를 적용하여 물의 흐름이 적어 블레이드의 일부분만이 수중에 위치되는 상황에서도 효과적으로 발전이 가능한 수중 발전기를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 메카니컬 실을 이용한 수중 발전기의 방수 구조를 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 실시예로서, 수중 발전기에 대한 부분 절개 사시도를 도시하며,
도 3은 상기 도 2의 실시예에 대한 단면도를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 방수 공간에 대한 다양한 실시예를 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 블레이드에 대한 하나의 실시예를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 수중 전기 회전체에서 충진물질 유출입 수단을 형성한 실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 수직축 수중 발전기의 실시예를 도시하며,
도 8은 본 발명에 따른 수직축 수중 발전기에 대한 다른 실시예를 도시하며,
도 9는 본 발명에 따른 수중 발전기에 적용되는 블레이드의 실시예를 도시하며,
도 10은 본 발명에 따른 유수 방향에 대한 수평축 수중 발전기를 도시하며,
도 11은 본 발명에 따른 유수 방향에 대한 수직축 수중 발전기를 도시하며,
도 12는 본 발명에 따른 수직축 수중 발전기의 다양한 설치예를 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은, 수중에서 구동되는 전기 회전체에 복수의 방수 공간을 형성시키고 복수의 방수 공간에 충진되는 물질의 비중 또는 점도를 이용하여 방수 기능을 부여하는 전기 회전체와 이를 적용하여 수중에서 직접적인 발전이 가능한 수중 발전기를 제공한다.

도 2는 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 실시예로서, 수중 발전기에 대한 부분 절개 사시도를 도시한다.

상기 도 2에 도시된 수중 발전기(100)는 수중 환경 속에서 구동되는 수중 전기 회전체로서, 회전 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위해 그 내부에 회전자(160)와 고정자(170)가 설치되는데, 회전축(150)을 감싸며 설치되어 회전축(150)과 같이 회전하는 회전자(160)와 회전자(160)에 대응하여 일정 간격 이격되어 회전자(160)를 둘러싸도록 형성되어 회전자(160)의 회전에 따라 발생되는 유도 기전력을 전기 에너지로 변환시키기 위한 고정자(170)가 설치된다. 또한 상기 도 2의 실시예에서는 회전축(150)의 일단이 하우징(110)의 외부까지 연장되어 회전축(150)의 끝단에 외부 물의 흐름에 따라 회전 운동을 발생시키는 블레이드(180)가 설치되어 있다.

회전축(150)이 하우징(110)의 일측을 관통하여 외부까지 연장됨에 따라 하우징(110)을 관통하는 회전축(150)의 부분을 통해 하우징(110) 내부로 물이 침투할 수 있는데, 본 발명에서는 물의 침투를 방지하기 위한 방수 구조로서 복수개의 방수 공간이 형성된다.

상기 도 2에 도시된 실시예에서는 제1 방수 공간(120)과 제2 방수 공간이 회전축(150)을 따라 형성되어 있는데, 제1 방수 공간(120)의 내부에는 회전자(160)와 고정자(170)가 위치되고, 제2 방수 공간(130)은 회전축(150)을 따라 일측이 제1 방수 공간(120)과 접하고 타측이 외부 물과 접하여 형성되어 있다.

도 3은 상기 도 2의 실시예에 대한 단면도를 도시하며, 상기 도 3을 통해 제1 방수 공간(120)과 제2 방수 공간(130)에 대하여 좀 더 자세히 살펴보기로 한다.

제1 방수 공간(120)과 제2 방수 공간(130)은 회전축(150)에 수직한 격벽(125)으로 구분되어 형성되며 격벽(125) 상에는 관통홀(125)이 형성되어 관통홀(125)을 회전축(150)이 관통하여 통과한다. 그리고 관통홀(125) 상에는 회전축(150)의 회전을 용이하게 도우면서 동시에 물의 침투도 어느 정도 방지할 수 있는 베어링(129)이 장착되는데, 상황에 따라서는 방수 효과를 더욱 높이기 위해 씰링 부재가 추가적으로 설치될 수도 있다.

상기 도 2 및 도 3의 실시예에서 본 발명에 따른 주된 특징은 제1 방수 공간(120)과 제2 방수 공간(130)을 각기 서로 비중 또는 점도가 상이한 물질로 충진시켜 비중 또는 점도 차이로 물의 침투를 방지하는 방수 구조를 형성시킨 것이다. 즉, 비중이 서로 상이한 두 물질의 경우에 비중 차이에 의해 서로 섞이지 않고 층을 이루는 특성이 있는데, 본 발명에서는 이와 같은 비중 차이를 이용하여 물의 침투를 방지하는 방수 구조를 제시하며 또한 물보다 점도가 높은 물질을 충진시켜 그 물질의 점도에 의해 물의 침투를 방지하는 구조를 제시하는 것이다. 바람직하게는 외부 물과 접한 제2 방수 공간(130)의 경우에 물보다 비중 또는 점도가 상당히 높은 물질을 충진시켜 제2 방수 공간(130) 상으로의 물의 침투를 방지하고 제2 방수 공간(130)의 물질과 밀도가 상이한 다른 물질로 제1 방수 공간(120)을 충진시켜 제1 방수 공간(120)과 제2 방수 공간(130) 간에도 방수를 유지시킴으로써, 제1 방수 공간(120)과 제2 방수 공간(130)에 따른 2중 방수 구조를 형성하는 것이다.

여기서 제2 방수 공간(130)을 채우는 충진 물질로서 물보다 비중이 높은 기름을 이용하고 제1 방수 공간(120)을 채우는 충진 물질로서 물보다 비중이 낮은 엔진 오일 등이 이용될 수 있다. 보다 바람직하게는 회전축(150)이 관통홀(125)을 통과하면서 관통홀(125) 상에 존재할 수 있는 틈새를 메울 수 있도록 충진 물질에 미세 분말이 포함될 수 있는데, 가령 기름이나 오일 등의 액체에 나노 분말이나 실리콘 가루 등의 분말을 혼합한 충진 물질을 이용할 수도 있다.

비중과 점도가 높을수록 물의 침투를 더욱 효과적으로 방지할 수 있는데, 액체의 경우에 비중이 가장 높은 물질은 수은으로서 그 비중이 대기압에서 13.6이므로 이보다 작은 비중을 갖는 다양한 물질들이 이용될 수 있고, 물의 침투를 더욱 효과적으로 방지하기 위해서는 겔(gel) 상태의 점도를 갖는 물질이 이용될 수도 있는데, 제1 방수 공간(120)을 겔 상태의 물질로 충진하는 경우에 점도에 의해 회전이 용이하지 않을 수 있으므로 바람직하게는 제2 방수 공간(130)만을 겔 상태와 같은 점도가 상당히 높은 물질로 충진하는 것이 효과적이다.

또한 방수 공간을 채운 충진 물질이 외부로 유출되는 경우가 발생될 수 있으므로 인체에 유해하지 않은 물질을 이용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에서는 메카니칼 씰과 같은 별도의 복잡한 기계적 구성을 도입하지 안하고 간단한 내부 방수 구조를 통해 저렴한 비용으로 수중 환경에서 구동할 수 있는 수중 전기 회전체를 제공할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 다양한 방수 공간에 대하여 좀 더 살펴보면, 도 4는 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 방수 공간에 대한 다양한 실시예를 도시한다.

상기 도 4의 (a)에는 상기 도 2에서 살펴본 방수 구조로 수중 전기 회전체의 일측 부분만 수중 환경에 드러나고 타측 부분은 물 밖으로 드러나는 경우로서 기본적으로 상기 도 2에 도시된 실시예와 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

상기 도 4의 (b)에서는 그 내부에 회전자와 고정자를 포함하는 제1 방수 공간(120b)의 양측으로 제2 방수 공간(130b)이 형성된 경우이며, 상기 도 3의 (b)에서는 제1 방수 공간(120b)의 양측이 동일한 제2 방수 공간(130b)이므로 같은 충진 물질로 충진되는 것으로 도시되었지만, 상황에 따라서는 제1 방수 공간(120b)을 중심으로 양측을 서로 다른 방수 공간으로 구분하여 각각 다른 충진 물질로 채울 수도 있을 것이다.

나아가서 도 4의 (c)에서는 제1 방수 공간(120c)을 중심으로 회전축을 따라 외측으로 향하며 순차적으로 제2 방수 공간(130c)과 제3 방수 공간(140c)이 형성되며, 제1 방수 공간(120c), 제2 방수 공간(130c) 및 제3 방수 공간(140c)은 각각 서로 상이한 비중 또는 점도를 갖는 물질로 충진되어 3중 방수 구조를 갖는다. 그리고 각각의 방수 공간은 격벽(125c, 135c)으로 구분되며 격벽(125c, 135c) 상에는 회전축이 통과하는 관통홀(127c, 137c)이 형성되어 있다.

한걸음 더 나아가서 본 발명에 따른 수중 전기 회전체는 상기 도 4에 도시된 실시예에 국한되지 않고 형성되는 방수 공간의 수에 따라 다중 방수 구조로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 방수 구조는 다양한 형태의 수중 전기 회전체에 적용될 수 있는데, 이에 대한 하나의 실시예로서 도 5는 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 블레이드에 대한 실시예를 도시한다.

상기 도 5의 실시예에 따른 수중 전기 회전체(100’)에서는 회전축(150d)의 중심부가 관통된 원통으로 형성되어 원통 내부 공간(155d)을 따라 물이 이동하며, 회전축(150d)의 내부 공간(155d)을 따라 이동하는 물의 흐름에 따라 회전축(150d)이 회전할 수 있도록 회전축(150d)의 원통 내부면으로부터 중심부를 향해 복수개의 블레이드(180d)가 방사형태로 형성되어 있다.

이와 같은 구조에서 회전축(150d)의 끝단과 하우징(110d)이 접하는 부위를 통해 물이 침투할 수 있으므로, 본 발명에서는 상기 도 5의 실시예에 도시된 바와 같이 회전축(150d)의 끝단과 하우징(110d)이 접하는 부위를 제2 방수 공간(130d)으로 형성시키고 회전축(150d)을 따라 그 안쪽에 제1 방수 공간(120d)을 형성시켜 제1 방수 공간(120d) 상에 고정자(160)와 회전자(170)를 배치함으로써 2중의 방수 구조를 형성시켰다.

상기에서 살펴본 본 발명에 따른 수중 전기 회전체는 충진 물질의 비중 또는 점도 차이로 인해 그 내부로 물이 침투하지 않으나 장시간의 사용 상황에 따라서는 물이 침투되는 경우를 완전히 배제할 수는 없을 것이다. 그러나 물이 침투하는 경우가 발생되더라도 2중, 3중의 방수 구조를 가지므로 외측에 위치하는 방수 공간까지 물이 침투하고 최내측에 회전자와 고정자가 위치하는 제1 방수 공간까지는 물의 침투가 발생될 가능성이 희박하다. 이와 같이 외측 방수 공간 상에 물이 침투하는 경우에 이를 유지 보수하기 위해 본 발명에서는 충진 물질 유출입 수단을 도입할 수 있는데, 도 6은 본 발명에 따른 수중 전기 회전체에서 충진물질 유출입 수단을 형성한 실시예를 도시한다.

상기 도 6은 상기 도 2 및 도 3의 실시예와 같은 수중 전기 회전체에 충진 물질 유출입 수단(300)을 형성시킨 실시예로서, 장시간 사용에 따라 회전축의 틈새(A)를 따라 스며든 물이 제2 방수 공간(130)에 누적되는 경우에 제2 방수 공간(130)에 채워진 충진 물질 A는 물보다 비중이 높으므로 물과 충진 물질 A는 서로 섞이지 않고 물이 충진 물질 A의 상부에 층(B)을 형성하게 된다.

따라서 제2 방수 공간(130)의 상부측에 형성된 충진 물질 유출입 수단(300)을 통해 누적된 물은 배출하고 물의 배출에 따라 빈 공간을 다시 충진 물질 A로 채움으로써 수중 전기 회전체의 방수 기능에 대한 관리가 가능하며, 여기서 충진 물질 유출입 수단(300)은 물과 이물질 등을 배출시킬 수 있는 다양한 장치가 적용될 수 있으며 예시적으로는 단순한 밸브만이 이용될 수도 있고 더 나아가서는 물과 이물질 등을 흡입할 수 있는 펌프 장치가 탈착될 수도 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 수중 전기 회전체는 종래의 값비싼 메카니칼 씰 등의 구성을 대체하는 방수 구조로서 복수개의 방수 공간을 각각 비중 또는 점도가 상이한 물질로 충진시켜 비중 또는 점도 차이로 인해 외부의 물이 침투하지 않는 방수 구조를 제시함으로써 제조 단가는 낮추면서도 효과적인 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체를 제공할 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 방수 구조를 수중 발전기에 적용하여 수중 발전기의 설치 장소와 구조적 제한을 극복할 수 있는데, 이하에서는 본 발명에 따른 수중 발전기에 대한 실시예를 살펴보기로 한다.

도 7은 본 발명에 따른 수직 블레이드가 장착된 수중 발전기의 실시예를 도시한다.

발전기(200) 본체의 하우징 커버(210)로부터 돌출된 회전축(250)이 유수의 방향에 수직이 되도록 발전기(200)가 배치되며, 회전축(250)의 둘레에 복수개의 지지대(290)가 수평 방향으로 방사형 구조로 연결되고, 지지대(290)의 끝단에 회전축(250)과 나란한 방향으로 복수개의 블레이드(280)가 설치되어 유수의 흐름에 따라 회전축(250)을 회전시키게 된다.

여기서 블레이드(280)은 에어포일 형상으로 이루어져서 유수의 흐름에 따른 유동 저항에 의해 회전할 수 있도록 구성된다.

발전기(200) 본체의 하우징 커버(210) 내부는 앞서 상기 도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명에 따른 수중 전기 회전체의 방수 구조가 적용되며, 상기 방수 구조에 대해서는 상기에서 자세히 살펴보았으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 수직축 수중 발전기(200)는 회전축(250)이 발전기(200) 본체 내부의 회전자에 직접 연결되므로 블레이드(280)에 의한 회전축(250)의 회전 운동이 소모되지 않고 모두 발전 에너지원으로 활용될 수 있어서 발전 효율을 높일 수 있으며, 특히 그 구조 상 발전기(200) 본체가 수중 환경에 위치되는데 본 발명에 따른 방수 구조를 적용하여 보다 저렴한 비용으로 안정적인 발전 능력을 발휘할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 수직축 수중 발전기는 유수의 흐름에 따라 회전축의 회전 속도를 더욱 효과적으로 높일 수 있도록 다양한 형태의 블레이드가 적용될 수 있는데, 도 8은 본 발명에 따른 수직축 수중 발전기에 대한 다른 실시예를 도시한다.

상기 도 8에서도 회전축(250)이 수직으로 배치되고 회전축(250)의 둘레에 방사형 구조로 복수개의 지지대(290)가 배치되고 각 지지대(290)의 끝단에 회전축(250)과 나란한 방향으로 길게 블레이드(280a)가 설치되는데, 상기 도 8의 실시예에서 블레이드(280a)는 지지 날개와 가변 날개가 결합된 형태로서 유수의 흐름에 따라 블레이드(280a)이 모습이 변형되어 더욱 효과적으로 유수의 방향으로 블레이드(280a)를 회전시킬 수 있는 형태이다.

상기 도 8의 실시예에 도시된 블레이드를 좀 더 살펴보면, 도 9는 본 발명에 따른 수중 발전기에 적용되는 블레이드의 실시예로서, 도 9의 (a)는 상기 도 8의 실시예에 도시된 블레이드(280a)의 구조를 도시한다.

상기 도 9의 (a)에 도시된 블레이드는 지지대(290)에 연결된 지지 날개(281a)와, 지지 날개(281a)로부터 분할되어 지지 날개(281a)의 앞쪽 및 뒤쪽의 가변 날개(283a, 285a)로 구성되며, 지지 날개(281a)와 가변 날개(283a, 285a)는 연결 부재(미도시)를 통해 연결된다. 여기서 연결 부재는 양측의 가변 날개(283a, 285a)가 지지 날개(281a)에 지지되어 지지 날개(281a)를 중심으로 일정 각도 회전할 수 있도록 구성되는데, 이를 위해 상기 연결 부재는 힌지나 스프링 등을 이용하여 지지 날개(281a)와 가변 날개(283a, 285a)를 연결할 수 있다.

나아가서 상기 도 9의 (a)에서는 하나의 블레이드가 3개의 날개편으로 구성된 실시예를 예시하였으나, 이에 국한되지 않고 2개 또는 4개, 그 이상의 날개편으로 블레이드를 구성하는 것도 가능한데, 가령 도 9의 (b)에 도시된 실시예에서는 하나의 블레이드가 2개의 날개편으로 구성되며, 지지대(290)에 지지 날개(281b)가 연결되고 지지 날개(281b)의 일측에 가변 날개(283b)가 가변부재(미도시)를 통해 연결된 형태를 제시한다.

본 발명에서는 이와 같은 가변 블레이드를 이용하여 유속의 변화에 따라 블레이드의 곡률이 가변되거나, 블레이드의 회전 방향으로의 길이가 가변될 수 있도록 구성되기 때문에 유속이 약할 때나 강할 때에도 지속적이고 안정적인 수력 발전이 가능하므로 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

특히 블레이드의 곡률 변화시나, 크기 가변시에 발생할 수 있는 틈새를 방지할 수 있도록 구성되기 때문에 블레이드에서 발생할 수 있는 유동 저항을 최소화한 상태에서 원활한 회전력을 확보하여 수력 발전이 가능하다.

도 10과 도 11은 본 발명에 따른 수중 발전기의 수중 환경에 설치된 실시예를 도시하는데, 상기 도 10은 유수 방향에 대한 수평축 수중 발전기를 도시하고 상기 도 11은 유수 방향에 대한 수직축 수중 발전기를 도시한다.

본 발명에 따른 방수 구조를 적용함으로써 저렴한 비용으로 상기 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 발전기 본체(100a, 200) 자체를 수중에 직접 설치가 가능하여 유속에 따른 블레이드의 회전 운동이 거의 손실 없이 전기 에너지로 전환이 가능해진다.

상기 도 10에 도시된 실시예에 따른 유수 방향에 대한 수평축 수중 발전기(100a)의 경우에 상기 도 10의 (a)와 같이 블레이드(180) 전체가 잠길 수 있는 물의 양이 존재하면 효과적인 발전이 가능하지만 상기 도 10의 (b)와 같이 블레이드(180) 일부만이 물에 잠기는 경우에 블레이드(180)의 회전이 원활하게 이루어지지 않아 발전 능력이 저하되게 된다.

하지만 상기 도 11에 도시된 수직축 수중 발전기(200)의 경우에는 상기 도 11의 (a)와 같이 블레이드(280) 전체가 물에 잠긴 경우뿐만 아니라 상기도 도 11(b)와 같이 블레이드(280)의 일부분만이 물에 잠기는 경우에도 블레이드(280)의 회전이 원활하게 이루어지므로 적은 량의 유수에서도 발전이 가능해진다.

도 12는 본 발명에 따른 수직축 수중 발전기의 다양한 설치예를 도시한다.

상기 도 12의 (a)와 같이 바다나 강에 떠있는 선박(500a)의 하부에 수직축 수중 발전기(200)가 설치된 실시예로서, 바다나 강의 흐름으로 선박(500a) 하부에 설치된 수중 발전기(200)가 발전을 할 수 있으며, 나아가서 선박(500a)의 이동시에는 선박(500a)의 이동에 따른 유속이 더욱 빨라지므로 이를 수직축 발전기(200)의 발전원으로 이용하여 활용할 수도 있다.

상기 도 12의 (b)는 바다나 강에 설치된 다리 등의 구조물(500b)에 수직축 수중 발전기(200)가 설치된 실시예를 도시하며 상기 도 12의 (c)는 상수도 또는 하수도 등의 관로(500c) 상에 수직축 수중 발전기(200)가 설치된 실시예를 도시한다.

이와 같이 본 발명에 따른 수중 발전기는 장소적 제한 없이 다양한 수중 환경 속에 직접 설치가 가능하며, 나아가서 수직축을 이용하는 경우에 설치 공간적인 제약이 없고 발전기의 유지 보수가 더욱 용이해진다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 100’: 수중 전기 회전체,
110, 110a, 110b, 110c, 110d : 하우징,
120, 120a, 120b, 120c, 120d : 제1 방수 공간,
130, 130a, 130b, 130c, 130d : 제2 방수 공간,
140c : 제3 방수 공간,
150 : 회전축, 160 : 고정자,
170 : 회전자, 180 : 블레이드,
200 : 수중 발전기,
250 : 회전축, 280 : 블레이드,
290 : 지지대.

Claims (12)

1. 수중 전기 회전체에 있어서,
   그 일부가 수중 환경에서 회전 운동하는 회전축;
   상기 회전축의 외면 일부를 감싸며 설치되어 상기 회전축과 같이 회전하는 회전자;
   상기 회전자에 대응하여 상기 회전자와 일정 간격 이격되어 상기 회전자를 둘러싸도록 형성되어 전기 에너지로 상기 회전자를 회전시키거나 상기 회전자의 회전에 따라 전기 에너지를 발생시키는 고정자; 및
   상기 회전축에 수직하게 형성되며 상기 회전축이 관통하여 상기 회전축의 회전을 용이하게 하는 관통홀이 형성된 격벽으로 구분되어, 상기 회전축 방향을 따라 순차적으로 형성된 적어도 2개 이상의 방수 공간을 그 내부에 갖는 하우징을 포함하며,
   상기 하우징의 상기 2개 이상의 방수 공간 중 상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 제1 방수 공간을 중심으로 최외측에 위치한 제2 방수 공간이 대기압 상온에서의 물보다 비중 또는 점도가 높은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징의 방수 공간은,
   상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 제1 방수 공간; 및
   상기 제1 방수 공간의 양측단에 접하여 각각 위치되는 2개의 제2 방수 공간을 포함하며,
   상기 제1 방수 공간이 상기 제2 방수 공간보다 비중 또는 점도가 낮은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징의 방수 공간은,
   상기 회전자와 고정자를 그 내부에 포함하는 제1 방수 공간; 및
   그 일측면은 상기 제1 방수 공간에 접하고 그 타측면은 수중에 접하는 제2 방수 공간을 포함하며,
   상기 제1 방수 공간이 상기 제2 방수 공간보다 비중 또는 점도가 낮은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 방수 공간은 물보다 비중 또는 점도가 낮은 물질로 채워지고,
   상기 제2 방수 공간은 물보다 비중 또는 점도가 높은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 관통홀에는,
   상기 회전축을 감싸며 상기 회전축의 회전을 용이하게 하는 베어링 또는 씰링이 장착된 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방수 공간을 채우는 물질은,
   분말을 포함하는 액체 또는 겔(Gel) 형태인 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전축의 일측 끝단이 수중 상에 위치하되, 상기 회전축의 일측 끝단을 중심으로 복수개의 블레이드가 방사형태로 형성되어 유체 흐름에 따라 상기 회전축을 회전시키는 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전축은, 그 중심부가 관통되어 유체가 흐르는 원통으로 형성되고,
   상기 회전축의 원통 내부면으로부터 그 중심부를 향해 복수개의 블레이드가 돌출되어 형성되어, 상기 회전축의 원통 내부의 유체 흐름에 따라 상기 회전축을 회전시키는 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제2 방수 공간의 측면에는 상기 제2 방수 공간에 충진된 물질을 배출 또는 주입하기 위한 하나 이상의 충진물질 유출입 수단이 형성된 것을 특징으로 하는 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방수 구조를 갖는 수중 전기 회전체를 이용한 수중 발전기로서,
    상기 회전축은 유수 방향과 수직으로 설치되고,
    상기 회전축의 둘레에 방사형 구조로 복수의 지지대가 배치되며,
    상기 지지대의 끝단에 상기 회전축과 나란한 방향으로 길게 설치되어 유수의 흐름에 따라 상기 회전축을 회전시키는 복수개의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 발전기.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 블레이드는, 상기 지지대에 연결된 지지 날개와, 이 지지 날개와 분할된 하나 또는 복수의 가변 날개와, 상기 지지 날개와 가변 날개를 연결하는 연결 부재를 포함하여 구성되되,
    상기 가변 날개는 상기 블레이드의 회전 방향에 대하여 지지 날개를 중심으로 안쪽 방향 또는 바깥쪽 방향 중 적어도 어느 한쪽 방향으로 회전할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 수중 발전기.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 블레이드는, 상기 가변 날개와 지지 날개 사이의 이격 거리를 가변시켜 상기 블레이드의 크기를 변화시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 수중 발전기.

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