KR101645526B1

KR101645526B1 - 불균형을 이용한 수차

Info

Publication number: KR101645526B1
Application number: KR1020150039978A
Authority: KR
Inventors: 설성수
Original assignee: 설성수
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-08-04
Also published as: KR20150039602A

Abstract

불균형을 이용한 수차가 개시된다. 본 발명에 따른 수차는 프레임에 고정되는 원형 기어로서 외주면의 서로 다른 높이에 배치된 제1 고정기어 및 제2 고정기어를 구비하는 링기어 구조와, 지지축을 중심으로 반대방향으로 방사상으로 연장된 복수 개의 회전 로드의 연장 단부와 아암이 핀 연결되는 구조, 및 회전 토오크를 전달하는 기어 구조로 이루어짐으로써 수차가 회전할 때 불균형이 발생하여 회전이 보다 용이하게 됨으로써 효율성을 향상시킨 불균형을 이용한 수차가 제공된다.

Description

불균형을 이용한 수차{Waterwheel using imbalance}

본 발명은 수차에 관한 것으로 특히 회전시 불균형을 발생시키고 그러한 불균형을 적절히 이용하여 효율성을 향상시킨 수차에 관한 것이다.

낮은 위치에서 높은 위치로 물을 양수하거나 높은 곳으로부터 낙하되는 물을 사용하여 회전력을 얻어 다양한 곳에 사용하기 위한 용도로 수차가 사용되고 있다.

예컨대 수력 발전소는 수력을 이용하여 터빈을 회전시켜 전력을 얻는 것으로, 물의 위치 변경에 의해 발생하는 위치 에너지가 전기 에너지로 변경되는 것이기 때문에 물이 있는 곳에서는 언제든지 발전 시설에 의해 발전을 할 수 있으나, 발전 용량의 산업적 가치 때문에 설치할 수 없는 문제점이 있는 것이 사실이다. 그러나 시대적 변화에 의해 산업적 가치 기준이 환경적 가치 기준으로 변하여 수력의 작은 조건이라 하더라도 환경적 가치를 충족시키는 경우 이를 시도하고자 하는 경우가 많게 되었다. 지방의 작은 마을 개울에도 발전 설비가 설치되어 그 마을의 전력을 부분적으로 제공하는 경우가 이와 같다 할 수 있다.

2011년 7월 6일자로 공개된 대한민국 공개특허 제10-2011-75959호에는 발전용 수차가 개시되어 있다. 상기 공개 특허에 따르면 물의 낙차를 이용하여 회전하는 수차의 회전력을 향상시키기 위해 수차의 물막이를 펴고 접을 수 있도록 형성하고 낙수 위치에서 물막이가 펴졌을 때 물막이 벽보다 더 돌출되게 형성되어 낙하하는 물이 물막이 벽보다 더 밖에서 물막이에 작용하도록 하고 물막이가 올라갈 때는 물막이가 접어져서 물막이가 펴졌을 때는 물막이까지 수차의 반지름이 커지고 물막이가 접어졌을 때는 물막이까지 수차의 반지름이 작아져서 무게중심을 회전축 밖으로 이동시키기도 하고 무게중심을 회전축 방향으로 이동시켜 수차의 회전력을 증가시키도록 구성되어 있다.

하지만 수차의 회전력을 보다 더 증가시키기 위한 구조를 개발하는 것이 요구된다할 것이다.

본 발명은 수차가 회전할 때 회전이 보다 용이하게 됨으로써 효율성을 향상시킨 불균형을 이용한 수차를 제공하는 것이다.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 불균형을 이용한 수차는,

수면과 평행하도록 수평 연장되어 있는 지지축(100)을 갖는 프레임(10)과;

상기 지지축(100)을 중심으로 하고 상기 프레임(10)에 고정되는 원형 기어로서 외주면에 일정 높이만큼 이격되어 배치된 제1 고정기어(110)와 제2 고정기어(112) 및 기어미형성부(113)를 구비하는 링기어(11)와;

상기 지지축(100)에 회전 가능하도록 설치되고 지지축(100)을 중심으로 반대방향으로 방사상으로 연장된 복수 개의 회전 로드(12)와;

상기 각 회전 로드(12)의 연장 단부와 핀(15) 연결되는 아암(13)과;

상기 핀(15)에 그 회전축이 고정되어 외력에 의하여 아암(13)을 회전 운동시키는 아암 구동기어(14)와;

상기 회전로드(12)의 단부 내측에 설치되는 것으로 상기 제1 고정기어(110) 및 제2 고정기어(112)와 각각 치합되는 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)와;

상기 제1 기어(150)와 상기 제2 기어(152) 사이에 회전축에 평행하게 고정되고 교대로 아암 구동 기어(14)와 치합됨으로써 상기 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)의 회전력을 아암 구동 기어(14)로 전달하는 한 쌍의 구동핀(16)과;

상기 아암(13)의 타단에 고정되는 회전력 발생용 버켓(170); 및

상기 회전 로드(12)에 고정되는 양수용 버켓(180);을 포함한다.

삭제

본 발명에 따른 불균형을 이용한 수차는 프레임에 고정되는 원형 기어로서 외주면의 서로 다른 높이에 배치된 제1 고정기어 및 제2 고정기어를 구비하는 링기어 구조와, 지지축을 중심으로 반대방향으로 방사상으로 연장된 복수 개의 회전 로드의 연장 단부와 아암이 핀 연결되는 구조, 및 회전 토오크를 전달하는 기어 구조로 이루어짐으로써 수차가 회전할 때 불균형이 발생하여 회전이 보다 용이하게 됨으로써 효율성을 향상시킨 불균형을 이용한 수차를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 불균형을 이용한 수차의 구조를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 수차에 구비되는 고정 기어(110, 112) 및 링 기어(11) 구조를 설명하기 위한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 수차에 구비되는 회전 로드(12)의 구조를 설명하기 위한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 수차에 구비되는 것으로 회전 로드(12)의 연장 단부와 핀(15) 연결되는 아암(13)을 도시한 사시도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 수차에서 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)의 회전력을 아암 구동 기어(14)로 전달하는 한 쌍의 구동핀(16)의 결합 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 불균형을 이용한 수차가 회전하는 구간별 동작을 설명하기 위한 정면도, 및
도 8은 본 발명에 따른 불균형을 이용한 수차의 회전 로드(12) 및 아암(13)에 구비되는 관통홀(200)의 구조와 작용 효과를 설명하기 위한 도면.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 불균형을 이용한 수차의 구조를 사시도로써 나타내었다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 불균형을 이용한 수차는 프레임(10)을 구비하며, 프레임(10)의 중앙부 부근에는 수면과 평행하도록 수평 연장되어 있는 지지축(100)이 구비된다. 또한, 상기 프레임(10)에는 도 2에 도시한 바와 같이 지지축(100)을 중심으로 하고 상기 프레임(10)에 고정되는 원형 기어로서 외주면의 서로 다른 높이에 배치된 제1 고정기어(110)와 제2 고정기어(112)를 구비하는 링기어(11)가 설치된다. 즉, 프레임(10)을 전면에서 보았을 때 내측에는 제1 고정기어(110), 외측에는 제2 고정기어(112)가 위치된다. 또한 링기어부(11)의 제1 고정기어(110)와 제2 고정기어(112)를 제외한 영역에는 기어미형성부(113)를 구비하도록 한다.

또한, 상기 수차는 도 3에 도시한 바와 같이 지지축(100)에 회전 가능하도록 설치되고 지지축(100)을 중심으로 반대방향으로 방사상으로 연장된 복수 개의 회전 로드(12)를 구비하며, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 각 회전 로드(12)의 연장 단부에는 상기 회전 로드(12)와 핀(15) 연결되는 아암(13)이 구비된다. 도 1에 나타낸 고정구조물은 아암(13)의 초기 구부러짐 동작을 보완하기 위한 것으로 생략되어도 무방하다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 아암(13)의 일단에는 핀(15)이 고정되고 상기 핀(15)은 아암(13)을 회전 운동시키는 아암 구동기어(14)의 회전축에 결합되어 아암(13)은 아암 구동기어(14)의 회전량 만큼 동일한 방향으로 회전한다. 또한 상기 수차는 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 회전로드(12)의 단부에 장착되는 것으로서 상기 제1 고정기어(110) 및 제2 고정기어(112)와 각각 치합되며 일정한 거리만큼 평행하게 이격 설치되는 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)와, 상기 제1 기어(150)와 상기 제2 기어(152) 사이에 위치되며 교대로 상기 아암 구동기어(14)와 치합됨으로써 상기 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)의 회전력을 아암 구동 기어(14)로 전달하는 한 쌍의 구동핀(16)을 구비한다.

도 4를 참조하면, 상기 아암(13)의 타단에는 회전력 발생용 버켓(170)이 고정되고, 상기 회전 로드(12)에는 양수용 버켓(180)이 고정된다. 양수용 버켓(180)이 고정되는 위치는 지지축(100)과 핀(15) 고정부의 중간 부근이 적절하다.

도 7에는 본 발명에 따른 불균형을 이용한 수차가 회전하는 구간별 동작을 설명하기 위한 정면도를 나타내었다. 이하에서 동작되는 과정을 구현하기 위해서는 제1 고정기어(110)와 제1 기어(150)의 기어비 및 구동핀(16)의 간격등을 설정할 것이 요구되며, 당업자 수준에서 적절히 설계할 수 있을 것이므로 본원 발명의 핵심을 흐뜨리지 않도록 상세한 설명을 생략하기로 한다.

1) 제1 구간

도 7을 참조하면, 수차가 회전하면서 회전 로드(12)와 아암(13)은 일직선을 유지하는 구간으로 최고위부터 회전 로드가 수면과 수평을 이루는 지점 까지를 1 구간이라 정의한다. 1 구간에서는 기어미형성부(113)에 해당하여 제1 고정 기어(110) 또는 제2 고정 기어(112)의 어느 것과도 치합되지 않기 때문에 회전 로드(12)의 회전에 의하여 아암(13)은 회전하지 않기 때문에 아암(13)은 일직선을 유지한다. 제1 구간에서는 급수구에서 낙하되는 물은 회전력 발생용 버켓(170)을 포함한 아암(13)에 부딪치게 되고 이로 인하여 도 7에서와 같이 반시계 방향의 회전력을 얻어 회전하게 된다.

2) 제2 구간

회전력 발생용 버켓(170)이 양수 수면에 이르게 되는 지점부터 수차 회전 범위중 최저위에 이르는 구간을 제2 구간이라고 정의한다. 제2 구간은 제1 고정기어(110)가 형성된 구간에 해당하며, 상기 제2 구간에서는 제1 고정기어(110)와 제1 기어(150)가 치합되면서 아암 구동기어(14)는 회전로드 회전방향과 반대 방향으로 회전로드 회전각도의 2.4배 만큼 회전한다. 회전로드(12)가 (1a)지점에서 ③ 지점까지 회전하는 동안 아암(13)은 회전로드(12) 회전방향과 반대 방향으로 180도 회전하고 ③ 지점에서 수직이 되도록 제1 고정기어(110)와 제1 기어(150)의 기어비를 설정할 것이 요구된다.

회전로드(12) 회전시 회전로드(12)에 결합된 제1 기어(150)는 제1 고정기어(110)에 의하여 회전로드 회전방향과 동일한 방향으로 회전하며, 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)에 고정된 구동핀(16)은 회전로드(12) 회전각도의 2.4배 각도만큼 아암 구동기어(14)을 오른쪽 방향으로 회전 시킨다.

그 결과 아암 구동기어(14)에 결합된 아암(13)이 회전하여 ③ 지점에서 수직상태가 된다. 회전로드(12)와 아암 구동기어(14)의 회전방향은 반대이어야 하며,회전로드(12)와 아암 구동기어(14)의 회전각도비는 1 : 2.4가 되도록 설계한다.

단, (1a) 지점과 ③ 지점과의 사이각이 75도 일때 1 : 2.4의 회전각도비가 적용되며, 사이각이 변하면 회전각도비는 변하지만 아암(13)은 ③ 지점에서 수직상태를 유지 하여야 한다.

3) 제3 구간

수차가 회전하면서 최저위에서 최고위에 이르는 구간을 제3 구간이라 정의한다. 제3 구간에서는 회전로드(12)가 회전하면서 제2 고정기어(112)와 제2 기어(152)가 치합되고, 아암 구동기어(14)은 회전로드 회전방향과 반대 방향으로 회전로드 회전각도 만큼 회전하여 수직상태로 유지한다.

즉, 회전로드(12) 회전시 회전로드에 결합된 제2 기어(152)는 제2 고정기어(112)와 치합되어 회전로드 회전방향과 동일한 방향으로 회전하며, 제1 기어(150) 및 제2 기어(152) 사이에 고정된 구동핀(16)은 회전로드 회전각도 만큼 아암 구동기어(14)을 오른쪽 방향으로 회전 시킨다.

그 결과 아암(13)에 결합된 아암 구동기어(14)에 의하여 아암(13)이 회전하는 원리로서, 회전로드(12)와 아암 구동기어(14)의 회전방향은 반대이어야 하며, 회전로드(12)와 아암 구동기어(14)의 회전각도비는 1:1이 되도록 설계한다.

삭제

도 7을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 구간은 최고위부터 회전 로드가 수면과 수평을 이루는 지점 까지로 정의된 구간으로 수차가 회전하면서 회전 로드(12)와 아암(13)은 일직선을 유지한다. 이 상태에서 급수구에서 낙하되는 물은 회전력 발생용 버켓(170)과 주변의 회전 로드(12)에 부딪치고 회전력 발생용 버켓(170)에 담기어지는 물로 인한 중력 작용으로 회전 로드(12)가 회전하게 되게 된다.

수차가 회전할 때 회전력 발생용 버켓(170)이 양수 수면에 이르게 되는 지점부터 수차 회전 범위중 최저위에 이르는 구간인 제2 구간에서 아암(13)은 회전 로드(12)와 반대 방향으로 회전하며 제1 고정기어(110)가 종료되는 지점에 이르러 수면에 대하여 수직이 이루게끔 하기 위하여 회전 로드(12)의 회전 각도에 비하여 아암(13)의 회전 각도가 크게 설계하여야 하는 것이다.

다음으로, 수차가 회전하면서 최저위에서 최고위에 이르는 구간인 제3 구간에서는 회전로드(12)가 회전하면서 제2 고정기어(112)와 제2 기어(152)가 치합되고, 아암 구동기어(14)은 회전로드 회전방향과 반대 방향으로 회전로드 회전각도 만큼 회전하여 수직상태를 유지한다. 이를 위하여 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이 회전로드(12)와 아암 구동기어(14)의 회전각도비는 1:1이 되도록 설계한다.

상기와 같은 작용에 의하여 급수구를 통하여 낙하되는 물이 수차에 부딪치고 회전력 발생용 버켓(170)에 물이 담기게 되는 제1 구간에서는 아암이 펼쳐져 있고 양수용 버켓(180)에 의하여 수면의 물을 양수하여 위로 올린 후 최고조에 이르는 제3 구간에서는 아암(13)이 수면에 대하여 직각을 유지하기 때문에 물이 낙하되는 좌측으로 무게 중심이 이동하여 불균형이 발생하게 된다. 따라서, 수차가 회전할 때 무게 중심이 이동함에 따른 불균형이 발생하여 회전이 보다 용이하게 됨으로써 효율성이 향상된다.

삭제

상기와 같은 수차는 프레임에 고정되는 원형 기어로서 외주면의 서로 다른 높이에 배치된 제1 고정기어 및 제2 고정기어를 구비하는 링기어 구조와, 지지축을 중심으로 반대방향으로 방사상으로 연장된 복수 개의 회전 로드의 연장 단부와 아암이 핀 연결되는 구조, 및 회전 토오크를 전달하는 기어 구조로 이루어짐으로써 수차가 회전할 때 불균형이 발생하여 회전이 보다 용이하게 됨으로써 효율성이 향상된다.

삭제

10 : 프레임
100 : 지지축
11 : 링기어
110 : 제1 고정기어 112 : 제2 고정기어
113 : 기어미형성부
12 : 회전 로드 13 : 아암
14 : 아암 구동기어 15 : 핀
150 : 제1 기어 152 : 제2 기어
16 : 구동핀
170 : 회전력 발생용 버켓 180 : 양수용 버켓

Claims

수면과 평행하도록 수평 연장되어 있는 지지축(100)을 갖는 프레임(10);
상기 지지축(100)을 중심으로 하고 상기 프레임(10)에 고정되는 원형 기어로서 외주면에 일정 높이만큼 이격되어 배치된 제1 고정기어(110)와 제2 고정기어(112) 및 기어미형성부(113)를 구비하는 링기어(11);
상기 지지축(100)에 회전 가능하도록 설치되고 지지축(100)을 중심으로 반대방향으로 방사상으로 연장된 복수 개의 회전 로드(12);
상기 각 회전 로드(12)의 연장 단부와 핀(15) 연결되는 아암(13);
상기 핀(15)에 그 회전축이 고정되어 외력에 의하여 아암(13)을 회전 운동시키는 아암 구동기어(14);
상기 회전로드(12)의 단부 내측에 설치되는 것으로 상기 제1 고정기어(110) 및 제2 고정기어(112)와 각각 치합되는 제1 기어(150) 및 제2 기어(152);
상기 제1 기어(150)와 상기 제2 기어(152) 사이에 회전축에 평행하게 고정되고 교대로 아암 구동 기어(14)와 치합됨으로써 상기 제1 기어(150) 및 제2 기어(152)의 회전력을 아암 구동 기어(14)로 전달하는 한 쌍의 구동핀(16);
상기 아암(13)의 타단에 고정되는 회전력 발생용 버켓(170); 및
상기 회전 로드(12)에 고정되는 양수용 버켓(180);을 포함하고,
상기 링기어(11)는 수차가 회전하면서 회전 로드(12)와 아암(13)은 일직선을 유지하는 구간으로 최고위부터 회전 로드가 수면과 수평을 이루는 지점까지를 1 구간이라 정의할 때 1 구간에 기어미형성부(113)가 배치되어 제1 고정 기어(110) 또는 제2 고정 기어(112)의 어느 것과도 치합되지 않아 회전 로드(12)의 회전에 의하여 아암(13)은 회전하지 않기 때문에 아암(13)은 일직선을 유지하도록 하고, 회전력 발생용 버켓(170)이 양수 수면에 이르게 되는 지점부터 수차 회전 범위중 최저위에 이르는 구간을 제2 구간이라고 정의할 때 제2 구간에서는 제1 고정기어(110)와 제1 기어(150)가 치합되면서 아암 구동기어(14)가 회전로드 회전방향과 반대 방향으로 회전하도록 하고, 계속해서 수차가 회전하면서 최저위에서 최고위에 이르는 구간을 제3 구간이라 정의할 때 제3 구간에서는 회전로드(12)가 회전하면서 제2 고정기어(112)와 제2 기어(152)가 치합되고, 아암 구동기어(14)은 회전로드 회전방향과 반대 방향으로 회전로드 회전각도 만큼 회전하여 수직상태로 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 불균형을 이용한 수차.