KR101864869B1 - 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물 및 그 고정 방법 - Google Patents

진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물 및 그 고정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 배관의 있는 그대로의 상태에 영향을 거의 미치지 않으면서 배관이 일으키는 진동으로부터 에너지를 수확할 수 있는 구조물을 개발하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 배관에 고정하는 구조물로서, 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치가 고정되는 고정단과, 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치 수용 홈을 구비하는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임의 상기 고정단에 체결되어 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 고정하는 클램프; 상기 베이스 프레임의 하부에 배치되어 상기 배관의 표면에 접하는 복수의 지지대; 및 상기 베이스 프레임을 상기 배관 방향이라도 가압하면서 상기 배관을 외측에서 둘레를 따라 둘러싸는 밴드를 포함하는 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물과, 이 구조물의 설치 방법을 제공한다.

Description

진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물 및 그 고정 방법{Setup for the energy harvesting from vibrating pipes, and method of setting up the same}
본 발명은 에너지 수확 장치(Energy harvester)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물 및 그 고정 방법에 관한 것이다.
전기·전자 기술의 발달과 더불어 VLSI{Very Large Scale Integration}등의 저전력 전자 소자 기술이 급속도로 발달하게 되었다. 이러한 기술의 발전은 다양한 전기장치들을 소형화{miniaturization}하고 이러한 장치들이 마이크로 와트(μW)의 저전력 상황에서 작동하는 것을 가능하게 하였다. 특히, 건물이나 교량의 환경 진단 센서, 선박이나 항공기와 같은 기계 구조물의 안전 진단 센서, 가정 자동화 시스템의 센서 그리고 다양한 종류의 센서의 소형화는 이러한 구조물들에 처음부터 센서들을 삽입하고 무선 네트워크(wireless sensor network)로 구성하여 보다 효과적이고 상시적인 센서의 작동을 가능하게 하였다. 이러한 무선 센서 네트워크의 상시 감시 체제는 각 센서 노드(sensor node)의 전력공급 체계를 요구한다. 이러한 전력 공급방법으로 배터리를 이용할 수 있으나, 이러한 배터리는 그 작동 수명이 짧다는 단점을 지닌다. 무선 센서 네트워크의 센서들은 구조물에 삽입되어야 하기 때문에 배터리를 교체하는 것은 불가능하거나 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 주변의 에너지원으로부터 전력을 생산 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 방법이 개발되어 왔다. 에너지 수확(하베스팅) 방법 중 널리 알려진 것으로는 태양 전지(solar cell)를 이용하여 태양 에너지로부터 전력을 생산하는 방법, 제백 효과(Seeback effect)를 이용하여 열에너지로부터 전력을 발생시키는 방법, 그리고 전자기유도현상(Faraday's law of electromagnetic induction) 또는 압전 현상(piezoelectric effect)이나 자기 변형 현상(magnetostriction effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법 등이 있다.
도 1에는 종래의 압전 현상을 이용하는 에너지 수확 장치의 구동 원리를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 에너지 수확 장치(10)는 구조물(1)에 직접 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성부재(3), 이 탄성부재(3)에 부착된 압전 소자(4), 그리고, 선택적으로 탄성부재의 자유단 측에 배치된 질량체(2)를 포함한다.
구조물이 진동함에 따라 상기 탄성부재가 진동하면서 압전 소자를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으키고 결국 전력을 발생시키게 된다.
진동 에너지 수확 장치는 진동이 발생하는 구조물에 부착하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 지금까지의 진동 에너지 수확 장치는 구조물이 부착될 부분이 평면인 경우만이 고려되었거나, 적어도 곡면에 배치하여 진동 에너지 수확 장치를 사용하는 방법에 대해 논의된 바는 없다. 그러나 구조물의 진동 특성에 따라서는 곡면에 부착하여 사용하는 것이 필수적인 경우들이 있어 이를 위한 새로운 구조의 에너지 수확 장치를 개발할 필요성이 크게 대두된다.
대한민국 특허등록 제10-1053256호 대한민국 특허등록 제10-1222005호
유체가 유동하여 진동이 발생하고 상태 모니터링을 위한 센서 등이 설치될 필요성이 큰 배관은 진동 에너지 수확 장치를 설치할 필요성도 있고 그 효과도 큰 것으로 기대되는 대상이라고 볼 수 있다. 그런데, 배관은 통상 외면에 원통형으로 곡면으로 이루어져서 여기에 캔틸레버를 직접 고정하는 것은 어렵고, 캔틸레버 설치를 위한 새로운 방안을 강구할 필요성이 크게 대두된다.
이에 본 발명에서는 배관의 있는 그대로의 상태에 영향을 거의 미치지 않으면서 배관이 일으키는 진동으로부터 에너지를 수확할 수 있는 구조물을 개발하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은,
캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 배관에 고정하는 구조물로서,
상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치가 고정되는 고정단과, 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치 수용 홈을 구비하는 베이스 프레임;
상기 베이스 프레임의 상기 고정단에 체결되어 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 고정하는 클램프;
상기 베이스 프레임의 하부에 배치되어 배관의 표면에 접하는 복수의 지지대; 및
상기 베이스 프레임을 상기 배관 방향으로 가압하면서 상기 배관을 외측에서 둘레를 따라 둘러싸는 밴드를 포함하는 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 베이스 프레임에는 상기 밴드가 관통하는 관통공이 형성된 것일 수 있다.
여기서, 상기 베이스 프레임 저면에 상기 밴드를 고정하도록 상기 베이스 프레임에 체결 수단에 의해 체결되는 밴드 고정 프레임을 더 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 밴드에는 연결공이 형성되어 있고,
상기 밴드 고정 프레임과, 상기 밴드 고정 프레임에 대향하는 베이스 프레임의 저면의 둘 중, 어느 하나에는 고정용 돌기가 형성되어 있고, 다른 하나에는 체결 홈이 형성되어 있어서, 상기 고정용 돌기가 상기 연결공을 통과하고 상기 고정용 돌기에 수용되어서 상기 밴드가 상기 밴드 고정 프레임에 의해 상기 베이스 프레임 저면에 고정되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 베이스 프레임에는 상기 캔틸레버가 놓인 평면보다 높게 돌출된 밴드 거치대가 형성된 것일 수 있다.
여기서, 상기 지지대는, 상기 배관에 접하는 단부가 곡면으로 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은,
캔틸레버 형태의 진동 에너지 수확 장치를 배관에 고정하는 방법으로서,
하나 이상의 연결공이 형성된 밴드에 연결공을 통해 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물을 하나 이상 고정하는 단계; 및
상기 밴드가 배관의 둘레를 감은 후 고정되도록 하여 상기 배관에 하나 이상의 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물을 설치하는 단계를 포함하고,
상기 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물은,
캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 배관에 고정하는 구조물로서,
상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치가 고정되는 고정단과, 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치 수용 홈을 구비하는 베이스 프레임;
상기 베이스 프레임의 상기 고정단에 체결되어 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 고정하는 클램프;
상기 베이스 프레임의 하부에 배치되어 상기 배관의 표면에 접하는 복수의 지지대; 및
상기 베이스 프레임을 상기 배관 방향이라도 가압하면서 상기 배관을 외측에서 둘레를 따라 둘러싸는 밴드를 포함하는 것임을 특징으로 하는 진동 에너지 수확 장치를 배관에 고정하는 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 의하면, 배관 재질이 자성체가 아닌 경우에도 에너지 수확 장치를 손쉽게 설치할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면 배관의 굽힘 모드가 주로 작용하는 대부분의 경우에 굽힘 모드에 감응하기 좋은 배관과 나란한 방향으로의 압전소자를 배치할 수 있어서 굽힘 모드에 의한 에너지 수확이 더욱 원활하게 이루어 질 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 배관의 진동 모드가 주로 굽힘 진동 모드인 경우에 배관의 굽힘 진동 특성에 영향을 미치지 않고 에너지 수확 장치를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 배관 표면에 손상을 입히지 않으면서 배관에 에너지 수확 장치를 설치할 수 있다.
도 1에는 종래의 압전 현상을 이용하는 에너지 수확 장치의 구동 원리를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물이 배관 상에 설치된 모습을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3에는 도 2의 III 방향에서 본 측면도가 도시되어 있다.
도 4에는 도 2에 도시된 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6에는 베이스 프레임 하부에 배치되는 지지대의 실시예를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 7에는 본 발명에 따른 구조물의 변형예를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 8에는 본 발명에 따른 에너지 수확 장치의 고정을 위한 구조물의 다른 실시예가 도시되어 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물이 배관 상에 설치된 모습을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 III 방향에서 본 측면도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 2에 도시된 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물은, 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 배관(300)에 고정하는 구조물로서, 베이스 프레임(150), 클램프(130), 지지대(151) 및 밴드(170)를 포함한다.
상기 베이스 프레임(150)은, 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치가 고정되는 고정단(156)과, 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치의 진동 변위와 간섭하지 않을 공간을 제공하는 캔틸레버 조립체 수용부(155)를 구비한다. 상기 캔틸레버 조립체 수용부(155)는 도면에 도시된 것과 같이 주변에 비해 낮게 형성된 형태이면 되고, 반드시 측방향이 폐쇄된 형태일 필요는 없다. 다만 장치 내부로의 먼지 등의 이물질 유입을 막을 필요가 있어 덮개 등을 설치할 수 있는데, 이 경우에는 측방향으로 폐쇄된 형태로 만들어지는 것이 바람직할 수 있다.
용어를 몇 가지 정리하자면, 본 발명에 있어서 에너지 수확 장치는 도 2에서 100번으로 지칭되는 부재 전체를 의미한다. 본 발명에 있어서 "진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물"은 부재번호 100번과 170번을 합한 것을 지칭한다. 본 발명에서 있어서 캔틸레버 조립체(120)는 캔틸레버(121)와 캔틸레버에 부착된 압전소자(122)를 포함하는 용어로 사용된다. 상기 캔틸레버는 길이에 비해 폭이 좁고 폭에 비해 두께가 작은 부재이고 탄성 변형이 용이한 알루미늄 등의 금속 소재로 만들어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 압전 소자는 상기 캔틸레버의 일면 또는 양면에 부착되어 상기 캔틸레버의 변형에 따라 변형되면서 전력을 발생시킨다.
상기 클램프(130)는 상기 베이스 프레임(150)의 상기 고정단(156)에 체결되어 상기 캔틸레버 형태의 에너지 수확 장치를 고정한다. 클램프(130)는 도면과 같이 볼트(135)들에 의해 체결되는 형태로 상기 고정단(156)에 고정될 수 있고, 달리 판상의 캔틸레버 조립체(120)를 고정할 수 있는 수단이라면 무엇이든 사용이 가능하다.
상기 지지대(151)는 상기 베이스 프레임(150)의 하부에 배치되어 본 발명의 구조물이 상기 배관(300)에 설치될 때 상기 배관(300)의 표면에 접하게 된다. 상기 지지대(151)의 기능과 그에 따른 효과에 대해서는 별도로 설명한다.
상기 밴드(170)는 상기 베이스 프레임(150)을 상기 배관(300) 방향이라도 가압하면서 상기 배관(300)을 외측에서 둘레를 따라 둘러싸는 부재이다. 상기 밴드는 조이는 힘이 작용할 수 있도록 조임 볼트(171)를 구비한다. 조임 볼트(171)를 조이면 밴드로 둘러싸인 둘레가 짧아지면서 밴드가 둘러싼 부재를 가압하는 것이 가능하다. 상기 베이스 프레임(150)을 상기 배관(300) 상에서 상기 밴드(170)가 고정할 때, 밴드(170)와 베이스 프레임(150) 사이의 고정은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스 프레임(150)에 상기 캔틸레버가 놓인 평면보다 높게 돌출된 밴드 거치대가 형성되어 상기 밴드(170)가 상기 거치대 위를 가압하면서 상기 배관(300) 둘레에 배치될 수 있다. 또는 상기 베이스 프레임(150)에 관통공이 형성되고, 상기 관통공을 통해 상기 밴드(170)가 상기 베이스 프레임(150)을 상기 배관(300) 상에 고정할 수도 있다. 보다 바람직한 밴드(170)와 베이스 프레임(150) 사이의 고정 방식에 대해서는 이후에 다시 설명한다.
도 5 및 도 6에는 베이스 프레임(150) 하부에 배치되는 지지대(151)의 실시예를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 5에 도시된 것과 같이, 상기 지지대(151)는 단부가 반구 형태로 만들어진 것으로 상기 베이스 프레임(150)의 하부 네 지점에 직사각형을 이루면서 배치될 수 있다. 또는 도 6에 도시된 것과 같이 상기 지지대(251)는 실린더를 길이 방향을 따라 반으로 자른 형태의 단부 형상을 가질 수도 있다. 상기 지지대(151, 251)는 단부가 곡면으로 형성되어서 배관(300)의 표면에 크랙을 형성하지 않으면서 본 발명의 구조물이 고정될 수 있다. 본 발명에서 지지대(151, 251) 단부가 곡면이라고 표현하였는데, 이는 단부 형상이 반구형, 반구가 아니더라고 구체나 타원체를 중심점을 지나지 않도록 자른 형상, 원통형의 측면의 형상을 모두 포괄하는 의미로 사용된 것이다.
도 7에는 본 발명에 따른 구조물의 변형예를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 7에 도시된 변형예에서는 밴드(170)와 에너지 수확 장치의 베이스 프레임(150)과의 고정 구조의 일례를 보여준다. 즉, 베이스 프레임(150)의 저면에는 고정용 돌기(159)가 형성되어 있고, 밴드 고정 프레임(160)의 베이스 프레임(150)측 면에는 상기 고정용 돌기(159)를 수용하는 수용 홈이 형성되어 있다. 상기 밴드(170)에는 상기 고정용 돌기(159)가 삽입될 수 있는 연결공(172)이 형성되어 있다. 상기 연결공(172)에 상기 고정용 돌기(159)가 삽입된 상태에서 상기 고정용 돌기(159)가 상기 수용 홈에 삽입 고정되면 상기 밴드(170)에 대한 상기 베이스 프레임(150)의 고정이 가능하다. 이러한 고정용 돌기(159)나 수용 홈의 위치는 베이스 프레임(150)과 밴드 고정 프레임(160) 사이에 서로 위치가 변경될 수 있다. 이러한 고정용 돌기(159)와 수용 홈을 구비함으로써 상기 밴드(170)를 상기 배관(300) 상에서 조여서 고정 하기 전에도 상기 베이스 프레임(150)과 상기 밴드(170) 사이의 안정적 고정이 가능하게 된다. 이에 따라 복수 개의 베이스 프레임(150)을 밴드(170) 상에 설치하게 될 때 설치 작업이 용이하게 된다.
앞서 설명한 것을 포함하여 여러 가지의 밴드(170)와 베이스 프레임(150)의 고정 관계 중에서 밴드(170)에 연결공(172)을 통해 베이스 프레임(150)을 고정할 수 있는 이러한 방식이 복수 개의 에너지 수확 장치 설치 작업상의 편의를 위해 가장 바람직하다.
도 8에는 본 발명에 따른 에너지 수확 장치의 고정을 위한 구조물의 다른 실시예가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 것과 같이, 본 발명에서는 복수 개의 에너지 수확 장치를 하나의 밴드(170)를 사용하여 배관(300) 둘레에 고정할 수 있다. 이 경우에는 밴드(170)에 간격을 두고 복수 개의 에너지 수확 장치에 대응하는 개수의 연결공(172)이 형성되어 있게 된다.
한편, 이상의 구조를 가지는 캔틸레버 형태의 진동 에너지 수확 장치를 배관(300)에 고정하는 구조물을 배관(300) 상에 고정하는 방법은 다음과 같이 구성될 수 있다.
먼저, 하나 이상의 연결공(172)이 형성된 밴드(170)에 연결공(172)을 통해 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물을 하나 이상 고정한다.
그 다음, 상기 밴드(170)가 배관(300)의 둘레를 감은 후 고정되도록 하여 상기 배관(300)에 하나 이상의 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물을 설치한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100: 에너지 수확 장치 110: 끝단 질량
120: 캔틸레버 조립체 121: 캔틸레버
122: 압전 소자 123, 152, 153: 체결공
130: 클램프 135, 161: 볼트
150, 250: 베이스 프레임 151, 251: 지지대
155: 캔틸레버 조립체 수용부 156: 고정단
158: 체결공
159: 고정용 돌기 160: 밴드 고정 프레임
170: 밴드 171: 조임 볼트
172: 연결공 300: 배관

Claims (7)

  1. 배관에 유체가 흐를 때 배관에 발생하는 진동으로부터 에너지를 수확할 수 있도록 진동 에너지 수확 장치를 배관에 고정하는 구조물로서,
    길이 방향에 직교하는 방향에서 자른 단면 형상의 두께가 폭에 비해 작게 형성된 캔틸레버와 상기 캔틸레버의 일면에 부착되어 캔틸레버의 변형에 의해 변형되면서 전력을 생산하는 압전소자를 포함하는 캔틸레버 조립체(120);
    상기 캔틸레버 조립체(120)가 고정되는 고정단(156)과, 상기 캔틸레버 조립체(120)의 진동 변위에 대한 간섭을 방지하도록 상기 캔틸레버 조립체(120)와 대향하는 위치에 상기 캔틸레버에 대해 오목하게 형성된 캔틸레버 조립체 수용부(155)를 구비하는 베이스 프레임(150);
    상기 베이스 프레임(150)의 상기 고정단(156)에 체결되어 상기 캔틸레버 조립체(120)를 고정하는 클램프(130);
    상기 베이스 프레임(150)의 하부에 배치되어 배관(300)의 표면에 접하는 복수의 지지대(151, 251); 및
    상기 베이스 프레임(150)을 상기 배관(300) 방향으로 가압하면서 상기 배관(300)을 외측에서 둘레를 따라 둘러싸는 밴드(170)를 포함하고,
    상기 베이스 프레임(150)에 상기 밴드(170)를 고정하도록 상기 베이스 프레임(150)에 체결 수단에 의해 체결되는 밴드 고정 프레임(160)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밴드(170)에는 연결공(172)이 형성되어 있고,
    상기 밴드 고정 프레임(160)과, 상기 밴드 고정 프레임(160)에 대향하는 베이스 프레임(150) 부분의 둘 중, 어느 하나에는 고정용 돌기(159)가 형성되어 있고, 다른 하나에는 수용 홈이 형성되어 있어서, 상기 고정용 돌기(159)가 상기 연결공(172)을 통과하고 상기 고정용 돌기(159)에 수용되어서 상기 밴드(170)가 상기 밴드 고정 프레임(160)에 의해 상기 베이스 프레임(150) 저면에 고정되는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 프레임(150)에는 상기 캔틸레버가 놓인 평면보다 높게 돌출된 밴드 거치대가 형성된 것을 특징으로 하는 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지대(151, 251)는,
    상기 배관(300)에 접하는 단부가 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 진동 에너지 수확 장치의 배관 고정을 위한 구조물.
  7. 삭제
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