KR102031665B1 - 회전체 없는 정전유도 발전기 - Google Patents

회전체 없는 정전유도 발전기

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KR102031665B1
KR102031665B1 KR1020180056285A KR20180056285A KR102031665B1 KR 102031665 B1 KR102031665 B1 KR 102031665B1 KR 1020180056285 A KR1020180056285 A KR 1020180056285A KR 20180056285 A KR20180056285 A KR 20180056285A KR 102031665 B1 KR102031665 B1 KR 102031665B1
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Abstract

본 발명의 목적은, 회전자 즉, 회전체가 없는, 정전유도 발전기를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 정전유도 발전기는, 네 개의 축전기들(제1 축전기(CA1, CA2), 제2 축전기(CA3, CA4), 제3 축전기(CB1, CB2), 제4 축전기(CB3, CB4)); 상기 네 개의 축전기들 중 제1 및 제2 축전기들(CA1, CA2, CA3, CA4)과 연결되어 있는 A측 변압기(17A); 상기 제1 및 제2 축전기들과 나란하게 배치되어 있는 제3 및 제4 축전기들(CB1, CB2, CB3, CB4)과 연결되어 있는 B측 변압기(17B); 외부가 금속으로 형성되어 있으며, 상기 제2 축전기 및 상기 제4 축전기에 연결되어 있는 A측 금속진공관(1); 및 외부가 금속으로 형성되어 있고, 상기 A측 금속진공관과 반대로 전류가 흐르며, 상기 제2 축전기 및 상기 제4 축전기에 연결되어 있는 B측 금속진공관(1')을 포함한다.

Description

회전체 없는 정전유도 발전기{Static Induction Generator Without Solid Of Rotation}
본 발명은 회전체 없는 정전유도 발전기에 관한 것이다.
본 발명자는 이미 고정자와 회전자로 구성된 정전유도 발전기를 제8606호(1980.06.12)와 제10-0376636호(2003.03.06)로 등록받았다.
그러나, 상기 정전유도 발전기는 구조상 제작이 다소 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
즉, 출력을 증가시키는 방법에는 여러 가지가 있으며, 고정자와 회전자의 간격을 가능한한 좁혀서 용량을 증가시키는 것도 그 한가지 방법이다.
그러나, 종래의 정전유도 발전기에서는, 고정자와 회전자의 수가 수십, 수백장이나 되기 때문에, 한 곳도 부딧치지 않게 하면서 제작하는 것은 결코 쉬운 작업이 아니다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명의 목적은, 회전자 즉, 회전체가 없는, 정전유도 발전기를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전유도 발전기는, 네 개의 축전기들(제1 축전기(CA1, CA2), 제2 축전기(CA3, CA4), 제3 축전기(CB1, CB2), 제4 축전기(CB3, CB4)); 상기 네 개의 축전기들 중 제1 및 제2 축전기들(CA1, CA2, CA3, CA4)과 연결되어 있는 A측 변압기(17A); 상기 제1 및 제2 축전기들과 나란하게 배치되어 있는 제3 및 제4 축전기들(CB1, CB2, CB3, CB4)과 연결되어 있는 B측 변압기(17B); 외부가 금속으로 형성되어 있으며, 상기 제2 축전기 및 상기 제4 축전기에 연결되어 있는 A측 금속진공관(1); 및 외부가 금속으로 형성되어 있고, 상기 A측 금속진공관과 반대로 전류가 흐르며, 상기 제2 축전기 및 상기 제4 축전기에 연결되어 있는 B측 금속진공관(1')을 포함한다.
본 발명에 의하면 회전체가 없는 정전유도 발전기가 제작될 수 있으며, 따라서, 발전기의 제조 공정이 단순화될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 정전유도 발전기에 적용되는 금속진공관의 외형을 나타낸 예시도,
도 2는 도 1의 A-A' 및 B-B'의 단면을 위에서 바라본 내부 구조를 나타낸 예시도,
도 3은 도 2의 C-C' 및 D-D'의 단면의 측면을 확대시킨 금속진공관의 동작 설명도.
도 4는 도 3에 도시된 금속진공관의 동작을 정지시키는 설명도.
도 5는 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기의 구성을 나타낸 예시도이며, 특히, A측 직류전원이 동작할 때 발전이 이루어지는 방법을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서 A측 금속진공관의 동작에 의해 발전이 이루어지는 방법을 나타낸 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서 B측 금속진공관의 동작에 의해 발전이 이루어지는 방법을 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예가 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 정전유도 발전기에 적용되는 금속진공관의 외형을 나타낸 예시도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 및 B-B'의 단면을 위에서 바라본 내부 구조를 나타낸 예시도이고, 도 3은 도 2의 C-C' 및 D-D'의 단면의 측면을 확대시킨 금속진공관의 동작 설명도이며, 도 4는 도 3에 도시된 금속진공관의 동작을 정지시키는 설명도이다.
본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서는 진공관의 역할이 매우 중요하다. 그러나, 음극에서 방출되는 열전자를 양극이 끌어당겨서 흡수해버리는 구조를 갖는 기존의 진공관으로는, 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기가 동작될 수 없다.
따라서, 본 발명자는 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기를 동작시킬 수 있는 새로운 구조의 금속진공관을 다음과 같이 발명하였다.
본 발명에 적용되는 금속진공관은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 진공관의 유리관 대신 전기가 잘통하는 금속으로 형성되며 금속진공관의 외관을 형성하는 금속관(1A), 상기 금속관의 중심에 구비되고, 예를 들어, 직경이 약 5mmm이며, 길이가 약 50mm인 금속봉(2)(상기 수치는 설명의 편의상 발명자에 의해 임의로 선택된 것임), 상기 금속봉의 외주면과 상기 금속관의 내주면 사이에 차례도 배치되는 방열형 캐소드(3), 히터(4), 방열형 캐소드(5), 그리드(6), 및 여러겹의 금속망으로 구성되며 전기적으로 연결되어(8) 고정된 금속망숲(7)을 포함한다.
상기 금속관(1A)의 하단에는 원형의 절연판(9)이 배치되며, 상기 절연판에는 복수의 구멍들이 형성된다.
상기 구멍을 통해, 상기 금속봉의 단자(13), 상기 방열형 캐소드의 단자(12A), 상기 히터의 단자(10, 11), 및 그리드의 단자(14)가 밖으로 노출되며, 상기 구멍은 밀봉된다.
원형의 상기 절연판(9)은 상기 금속관(1A)의 하부 안벽에 진공이 잘 유지되도록 밀봉되어 고정된다.
금속관(1A)의 바깥 상단에도 상부단자(15A)를 달아 놓았다.
금속진공관(1)은 주파수와는 관계가 없고 열전자 방출이 중요하다. 따라서, 최소의 가열전력으로 가능한 많은 열전자를 얻기 위해서, 상기 금속진공관(1)에는 두 개의 방열형 캐소드 사이에 히터가 삽입되어 있다. 열전자를 직접 방출하는 필라멘트가 히터 대신에 삽입될 수도 있다. 또한, 캐소드와 히터는 그리드와 같이 열전자가 쉽게 통과할 수 있는 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 상기 금속진공관(1)은 기존의 진공관과 구조와 기능, 역할 등이 다르다.
본 발명이 이해되기 위해서는, 우선 상기 금속진공관(1)의 기능 및 역할 등이 정확하게 이해되어야 한다. 따라서, 이하에서는, (가) 금속봉의 역할, (나) 금속봉과 그리드의 금속진공관을 동작/정지시키는 작용, (다) 금속망숲과 금속진공관의 기능과 역할 등이, 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명된다.
(가) 금속봉의 역할
상기 금속진공관(1)에는 양극이 없고 대신에 센 (-)전기로 대전된 금속봉(2)은, 방출되는 열전자를 금속망숲(7)으로 밀어내는 역할을 한다.
여기서, 상기 금속봉의 (-)전기력은 그리드(6) 넘어까지 미쳐야 하며, 그리드의 (-)전기력도 열전자를 금속망숲(7)으로 밀어내는 역할을 한다.
즉, (+)전기로 대전된 양극은, 열전자를 끌어당겨서 흡수해버리기 때문에, 본 발명에 적용되는 상기 금속진공관(1)에서는, (-)전기로 대전된 금속봉(2)이 금속관 내부의 중심에 세워져서, 열전자를 금속망숲으로 밀어내는 기능을 수행한다.
(나) 금속봉과 그리드의 금속진공관을 동작, 정지시키는 작용
회전체 없는 정전유도 발전기를 동작, 발전시키기 위해서는 금속진공관이 주기적으로, 동작 및 정지되어야 한다.
금속진공관을 동작시킨다는 것은 금속진공관의 히터(4)를 가열시켜서 두 개의 방열형 캐소드(3, 5)에서 방출되는 열전자를 금속진공관 밖으로 나오도록 하는 것을 의미한다.
금속진공관을 정지시킬 때는 히터의 가열전력을 끊어서 열전자가 방출되지 않도록 하는 것이 원칙적인 방법이다. 그러나, 가열전력을 끊어도 히터와 캐소드에는 당분간은 고온이 유지되기 때문에, 조금 줄어들기는 해도 열전자 방출은 계속된다. 따라서, 가열전력에 즉시 반응하는 획기적인 재료가 개발되지 않는한, 현재로서는 열전자가 금속망숲(7)으로 흘러가지 못하도록 하는 방법이 선택되어야 한다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 그리드의 (-)전기는 그대로 두고, 금속봉(2)의 (-)전기를 제거하면, 방출되는 열전자는 그리드(6)의 (-)전기에 밀려서 그리드를 넘어가지 못하기 때문에, 열전자가 방출되지 않는 것과 같은 결과가 된다.
즉, 그리드는 금속봉보다 금속망숲에 더 가까이에서 금속봉과 함께 방출되는 열전자를 금속망숲으로 밀어내고 금속망숲 밖으로 나오지 못하도록 하는 역할을 한다. 그러나, 이보다 더 중요한 그리드의 역할은, 열전자가 금속망숲(7)으로 흘러가지 못하도록 막아서 금속진공관의 동작을 정지시키는 역할이다. 즉, 금속진공관의 그리드는 기존의 3극 진공관의 제어 그리드와 같은 역할을 한다.
이처럼 금속봉(2)과 그리드(6)의 (-)전기력을 조절함으로써 금속진공관(1)은 동작 또는 정지될 수 있다.
금속봉의 (-)전기를 제거하지 않고, 그대로 유지하면서 열전자 방출을 막는 방법도 있다. 상기 방법은 이하의 설명 중, 상기 방법과 관련된 부분에서 별도로 설명된다. 즉, 상기에서는 금속봉의 역할이 설명되었기 때문에, 상기 방법은 이하에서 별도로 설명된다.
(다) 금속망숲과 금속진공관(금속관)의 역할과 기능
금속망숲과 금속관의 역할과 기능에 대해서 설명하기에 앞서, 이해를 돕기 위해, 한 가지 예를 설명한다.
풀 한포기 없는 민둥산에 비가 내리면 그 비의 일부는 땅속으로 스며들지만 나머지는 산 아래로 흘러내린다. 그러나, 나무숲이 울창한 산에 비가 내리면, 그 비는 나무잎과 줄기를 적시면서, 대부분 땅속으로 스며든다.
상기 금속망숲이 산의 울창한 나무숲과 같은 기능을 한다. 이런 의미에서 금속망숲이라는 명칭이 생성되었다.
따라서, 도 3과 같이 두 개의 방열형 캐소드(3, 5)에서 방출되는 열전자가 금속봉(2)의 (-)전기에 밀려서 그리드(6)를 넘어 금속망숲(7)에 뛰어들면 열전자는, 금속망숲을 구성하는 첫 번째 금속망, 두 번째 금속망, 세 번째 금속망 등을 차례로 통과하면서 금속망숲에 달라 붙게 된다.
미처 금속망숲에 달라붙지 못한 열전자도 금속봉과 그리드의 (-)전기력에 밀려서 금속망숲 밖으로 나오지 못하고, 금속망숲 안에서 이리저리 떠돌다가 금속망숲(7)에 달라붙으며, 결국에는 열전자 전부가 금속관(1A) 밖으로 나오게 된다.
즉, 전기는 도체 표면에만 존재한다는 특성 때문에, 열전자가 금속망숲안으로 뛰어든 다음에는 다른 어떤 도움도 필요 없이 열전자 스스로 금속관(1A) 밖으로 나오게 되는데(전기의 이런 특성을 잘 이용한 예가 반데그라프 장치이다), 이것이 유리관 대신에 금속관이 이용되어야 하는 이유이다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 금속진공관(1)을 이용하는 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기가 상세히 설명된다.
도 5는 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기의 구성을 나타낸 예시도이며, 특히, A측 직류전원(20A)이 동작할 때 발전이 이루어지는 방법을 나타낸 예시도이다. 도 6은 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서 A측 금속진공관의 동작에 의해 발전이 이루어지는 방법을 나타낸 예시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서 B측 금속진공관의 동작에 의해 발전이 이루어지는 방법을 나타낸 예시도이다.
설명의 편의상, 이하에서는, 동종/동량의 네 개의 축전기들을 구성하는 8개의 전극들이 CA1, CA2, CA3, CA4, CB1, CB2, CB3, CB4로 표시되고, CA1, CA2, CA3, CA4의 쪽이 A측으로 설명되며, CB1, CB2, CB3, CB4의 쪽이 B측으로 설명된다.
두 개의 금속진공관(1, 1')에 표시되어 있는, '←' 및 '→'의 방향표시는 금속진공관이 동작할 때 열전자가 흐르는 방향을 의미한다. 도 1 내지 도 4에 대한 설명에서는 하나의 금속진공관이 이용되었기 때문에 도면부호 1이 사용되었으며, 이하에서는, 두 개의 금속진공관들이 이용되기 때문에, 어느 하나의 금속진공관, 즉, A측 금속진공관은 도면부호 1로 표시되며, 다른 하나의 금속진공관, 즉, B측 금속진공관은 도면부호 1'로 표시된다.
'→' 방향으로 열전자가 흐르는 금속진공관을 A측 금속진공관(1)이라 하며, '←' 방향의 금속진공관을 B측 금속진공관(1')이라 한다. 여기서, A측 금속진공관(1)의 캐소드의 단자(12A)는 CA4에 연결되고 상부단자(15A)는 CB4에 연결되며, B측 금속진공관(1')의 캐소드의 단자(12B)는 CB4에 연결되며, 상부단자(15B)는 CA4에 연결된다.
이 경우, 금속봉의 단자, 히터의 단자, 그리드의 단자는 별도의 장치에 연결된다.
즉, A, B 측 금속진공관은 방향을 달리해서 CA4와 CB4에 연결하며, CA1과 CB1은 하나의 도선(16)으로 연결된다.
CA2와 CA3은 A측 변압기(17A)의 1차코일(18A)과 연결되고, CB2와 CB3는 B측 변압기(17B)의 1차코일(18B)과 연결된다.
즉, A, B측 변압기의 1차 코일은 변압기의 1차코일의 역할도 한다. 그러나, 이보다 더 중요한 A, B측 변압기의 1차코일의 역할은 A, B측 축전기를 직렬로 연결해서, A, B측 축전기에서 발생하는 전기를 A, B측 변압기의 2차코일(19A, 19B)에 전달해주는 역할이다.
마지막으로, A측 직류전원(20A)의 (+)극은 CA1에 연결되고, (-)극은 CA4에 연결되며, B측 직류전원(20B)의 (+)극은 CB1에 연결되고, (-)극은 CB4에 연결되면, 회전체 없는 정전유도 발전기의 구성과 조립이 완성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, A측 직류전원의 스위치를 on시켜, CA1에 (+)전기, CA4에 (-)전기가 충전되면, 정전유도 작용으로 CA2에는 (-)전기와 (+)전기가, CA3에는 (+)전기와 (-)전기가 발생한다. 이 경우, CA2의 (-)전기와 CA3의 (+)전기는 CA1의 (+)전기와 CA4의 (-)전기에 끌려 남아있게 되지만, CA2의 (+)전기와 CA3의 (-)전기는 서로 끌어당기며, 이에 따라, A측 변압기의 1차코일(20A)에는 CA2에서 CA3의 방향으로 전류가 흐른다.
이런 현상은 A측 축전기의 전압이 A측 직류전원(20A)의 전압과 같을 때까지 계속된다. 충전이 끝나면 A측 직류전원의 스위치(21A)를 열고(off), 도 6과 같이 A측 금속진공관(1)을 동작시켜서 CA4의 (-)전기가 A측 금속진공관(1) 밖으로 나와서 CB4로 흘러가서 충전되면, CA4의 (-)전기 인력을 받고 있던 CA3의 (+)전기는 CA4의 (-)전기 인력에서 벗어나서 CA2의 (-)전기를 끌어내고, CA2의 (-)전기인력을 받고 있던 CA1의 (+)전기는 CA2의 (-)전기인력에서 벗어나서 도선(16)을 따라서 CB1으로 흐른다.
이 경우, CA4의 (-)전기인력에서 벗어난 CA3의 (+)전기와 CA1의 (+)전기인력에서 벗어난 CA2의 (-)전기는 서로 끌어당기면서 A측 변압기의 1차코일(18A)에는 전과 반대로 CA3에서 CA2의 방향으로 전류가 흐르므로, 1차코일에 흐르는 전류는 교류이다.
계속해서 A측 금속진공관이 동작하는 동안에는 CA4의 (-)전기가 CB4로 흘러가고 CA1의 (+)전기가 CB1으로 흘러가서 충전되며, 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, CB4의 (-)전기인력을 받게 되는 CB3에는 (+)전기와 (-)전기가, CB1의 (+)전기인력을 받게 되는 CB2에는 (-)전기와 (+)전기가 정전유도 작용으로 인해 발생한다. 이 경우, CB3의 (+)전기와 CB2의 (-)전기는 CB4의 (-)전기와 CB1의 (+)전기에 끌려남아 있게 되지만, CB4의 (-)전기와 CB1의 (+)전기에 밀리는 CB3의 (-)전기와 CB2의 (+)전기는 서로 끌어당기면서 B측 변압기의 1차코일(18B)에는 CB2에서 CB3의 방향으로 전류가 흐른다.
그런데, 물이 가득찬 호수의 수문을 열면 당분간은 물이 세차게 흘러내지리만, 시간이 지나면서 점점 약해지며, 완전히 흐를때까지는 상당히 오랜 시간이 걸린다.
마찬가지로, A측 금속진공관(1)을 동작시킬 때, 처음 당분간은 CA4의 (-)전기와 CA1의 (+)전기가 CB4와 CB1으로 세게 흐르지만 시간이 지나면서 점점 약해지며, 완전히 흐를 때까지는 긴시간(전자회로에서 수천, 수만분의 1초는 긴 시간이다)이 걸린다. 따라서, A측 축전기에 전기가 조금 남아있을 때 B측 금속진공관(1')을 동작시켜서 새로 발전시키는 것이 출력에서 볼 때 더 능률적이다.
따라서, A측 축전기에 전기가 조금 남아있을 때, A측 금속진공관(1)을 정지시키고, B측 직류전원의 스위치(21B)를 닫아서, CB1과 CB4에 부족분량의 (+)전기와 (-)전기를 먼저 보충한 다음 B측 직류전원의 스위치를 연다. 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, B측 금속진공관을 동작시키면, CB4의 (-)전기가 CA4로 흐르기 때문에 CB4의 (-)전기인력에서 벗어나는 CB3의 (+)전기는 CB2의 (-)전기를 끌어내고, CB2의 (-)전기인력에서 벗어나는 CB1의 (+)전기는 CA1으로 흐른다.
이 경우, CB4의 (-)전기와 CB1의 (+)전기인력에서 벗어나는 CB3의 (+)전기와 CB2의 (-)전기는 서로 끌어당기면서 B측 변압기의 1차코일(18B)에는 전과 반대로 CB3에서 CB2의 방향으로 전류가 흐르므로, 1차코일에 흐르는 전류는 교류이다.
한편, B측 금속진공관(1')이 동작하는 동안 CB4의 (-)전기와 CB1의 (+)전기가 CA4와 CA1으로 흘러가서 충전되면서 CA4의 (-)전기력을 받는 CA3에는 (+)전기와 (-)전기가, CA1의 (+)전기인력을 받는 CA2에는 (-)전기와 (+)전기가 정전유도 작용으로 발생한다. 이 경우, CA3의 (+)전기와 CA2의 (-)전기는 CA4의 (-)전기와 CA1의 (+)전기에 끌려 남아 있게 되지만, CA3의 (-)전기와 CA2의 (+)전기는 서로 끌어당기면서 A측 변압기의 1차코일(18A)에는 전과 반대로 CA2에서 CA3의 방향으로 전류가 흐른다.
이런 현상은 B측 금속진공관(1')이 동작하는 동안 A, B측의 축전기에서 동시에 일어나며 A측 금속진공관(1)이 동작할 때 역시, A, B측 축전기에서 동시에 일어난다.
그러나, 처음에는 A, B측 어디에도 충전이 되지 아니한 상태이기 때문에, A측 직류전원(20A)으로 우선 충전하고, 부족분량을 B측 직류전원(20B)으로 보충한 것이 다르다.
따라서, 일단 발전하기 시작하면 이미 충전된 전기가 A, B측 금속진공관의 주기적인 동작/정지 작용으로 A, B측 축전기를 왕래하면서 발전하는데, 누전과 전기저항 등으로 손실되는 약간의 전력은 A, B측 직류전원(20A, 20B)으로 조금씩 보충되어야 한다.
상기에서는, 금속진공관을 정지시키기 위해서는 금속봉의 (-)전기를 제거해야 하는 것으로 설명되었지만, CA4와 CB4의 (-)전기가 A, B측 금속진공관의 캐소드로 흐르는 것을 차단하는 것에 의해서도 금속진공관은 정지될 수 있다. 즉, CA4와 12A 사이, 그리고, CB4와 12B 사이에 스위치를 달아서 전자가 A, B측 금속진공관으로 흐르는 것을 차단하는 것에 의해서도 금속진공관은 정지될 수 있다. 따라서, 어떤 방법이 더 효율적인지 판단해서 더 효율적인 방법이 선택될 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명에서는, A, B측 금속진공관, A, B측 축전기, A, B측 변압기가 삼위일체가 됨으로써, 본 발명에 따른 정전유도 발전기는 회전자, 즉, 회전체 없이 발전할 수 있다.
회전체 없는 정전유도 발전기를 설명하기 위해서는 먼저 금속진공관을 이해해야 하기 때문에 금속진공관에 대해서 자세히 설명되었다. 그러나, 변압기 역시 이에 못지 않게 중요하다.
따라서, 이하에서는 상기 변압기가 상세히 설명된다.
일반적으로 변압기는 교류전압을 높이거나 낮추는 역할을 한다. 그러나, 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에 적용되는 변압기는, 교류전압을 높이거나 낮추는 역할이 아니라, A, B측 축전기에서 발생하는 전기를, 1, 2차코일의 상호유도 작용을 이용해 외부에 전달하는 역할을 한다.
따라서, A, B측 축전기에서 발생하는 전기가 A, B측 변압기의 1차코일에 아무런 저항 없이 잘 흘러야, 정전유도 작용이 잘 일어나서, 큰 출력이 외부에 전달될 수 있다. 이것은 아래의 예를 통해 쉽게 이해될 수 있다.
자동차의 동력기관의 기통(실린더)에 연소로 발생하는 배기가스를 잘 배출시켜야 동력기관은 출력을 제대로 발생하고 주행속도도 빨라질 수 있다. 그러나, 배기 가스가 잘 배출되지 않으면 기통에서 연소(연료가 불타는 것)가 잘되지 않기 때문에, 동력기관의 출력도 감소하고 자동차의 주행속도도 느려진다.
회전체 없는 정전유도 발전기도 마찬가지이다. 즉, 회전체 없는 정전유도 발전기에서 정전유도 작용으로 발생하는 전기가 A, B측 변압기의 1차코일을 빠짐없이 잘흘러야, 정전유도 작용이 잘 일어나면서 큰 출력도 얻어질 수 있다.
그러나, 교류가 코일에 흐르면 유도리엑턴스(교류에 대한 코일의 저항)가 발생하며, 이에 따라, 코일은 교류가 흐르는 것을 방해한다. 특히, 유도리엑턴스는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에 고주파의 교류가 코일에 흐르는 것은 어렵다.
따라서, 회전체 없는 정전유도 발전기는 큰 출력을 얻기 위해서 고주파로 발전하기 때문에, A, B측 변압기의 1차코일(18A, 18B)에 발생하는 유도리엑턴스는 반드시 해결되어야 한다. 이러한 문제는 다양한 방법을 통해 해결될 수 있다.
예를 들어, 적당한 용량의 축전기(22A, 22B)를 변압기의 1차코일과 직렬연결해서 직렬공진시키면, 유도리엑턴스와 용량리엑턴스 자체는 소멸되지는 않지만, 소멸된 것처럼 될 수 있다. 따라서, 코일에 교류가 흐르는 것을 방해하는 유도리엑턴스 문제는 어렵지 않게 해결될 수 있다.
또한, 코일의 도선의 전기저항도, 초전도체를 사용하면, 0이 된다. 이렇게 함으로써, 코일의 교류에 대한 합성저항(임피던스)은 0이 된다. 이 경우, 임피던스가 반드시 0이 되어야 하는 것은 아니며, 상기한 바와 같은 방법들에 의해, 어렵지 않게 임피던스는 0으로 될 수 있다는 의미이다.
임피던스가 0에 가까워질수록 본 발명에 적용되는 변압기의 효율이 향상되므로써, A, B측 축전기에서 정전유도 작용도 잘 일어나면서 출력도 최대가 된다. 또한, 초전도체가 아니더라도 코일의 도선의 굵기가 가능한한 굵게 형성되고, 온도가 가능한한 낮추어지면, 코일의 도선의 전기저항도 0에 가까워지게 될 수 있다.
또한, 변압기의 2차 코일들(19A, 19B)의 임피던스도 이러한 방법을 통해 0 또는 최소화되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서 발생되는 출력을 산출하는 공식이 설명된다.
본 발명에 따른 회전체 없는 정전유도 발전기에서는, 동종/동량의 축전기 네 개가 A, B측으로 두 개씩 나뉘어서 직렬로 연결되며, 그 중 하나의 축전기의 용량을 C라고 하면 직렬로 연결된 축전기의 합성용량은 C/2이다. 따라서, 이하에서는, 축전기에 저장된 전기 에너지량의 공식(W = ½ CV2 [J])을 인용하여, 본 발명에 따른 정전유도 발전기의 출력의 기본공식이 유도된다.
발전을 시작하기 전에는 A, B측 어디에도 충전이 되지 아니한 상태이기 때문에, 우선 직류전원을 이용하여 축전기를 충전시켜야 한다. 따라서, 전압이 V인 A측 직류전원(20A)으로 CA1과 CA4에 (+)전기와 (-)전기를 충전시키면, 용량이 C인 축전기 두 개를 직렬로 연결했기 때문에 A, B측 축전기의 합성용량이 C/2이므로, A측 축전기에 저장된 전기 에너지량은,
WA =½ x ½CV2 = ¼CV2 [J] 이다.
이 경우, 설명의 편의상 A측 직류전원으로 충전된 (+)전기와 (-)전기는 A, B측 금속진공관(1, 1')의 동작으로 손실 없이, A, B측을 100% 왕래한다고 가정한다.
도 5의 A측을 자세히 살펴보면, A측 직류전원으로 충전시킬 때, CA1과 CA4의 (+), (-)전기에 밀리는 CA2의 (+)전기와 CA3의 (-)전기의 전기에너지량은 A측 축전기에 저장된 전기에너지량의 1/2이라고 생각할 수 있으므로, A측 변압기의 1차코일(18A)에 흐른 전기에너지량은,
WA =½ x ¼CV2 = ⅛CV2 [J] 이다.
다음으로, A측 금속진공관(1)을 동작시켜서 CA4의 (-)전기와 CA1의 (+)전기를 CB4와 CB1으로 전부 흐르게 하면 CA4의 (-)전기와 CA1의 (+)전기인력에서 벗어나는 CA3의 (+)전기와 CA2의 (-)전기는 역시 A측 변압기의 1차코일에 흐른다. 즉, A측 축전기에 저장된 전기에너지량에서 1/2은 B측으로 흐르고 A측 변압기의 1차코일에 흐른 전기에너지량도 역시 1/2인,
WA =½ x ¼CV2 = ⅛CV2 [J] 이다.
따라서, A측 직류전원으로 A측 축전기에 충전시킬 때와 A측 금속진공관을 동작시킬 때 A측 변압기의 1차코일(18A)을 통한 전기에너지량의 합은,
WA =⅛CV2 + ⅛CV2 = ¼CV2 [J] 이다.
그리고, A측 금속진공관을 동작시켜서 CA4의 (-)전기와 CA1의 (+)전기가 CB4와 CB1으로 흘러가서 충전되면 A측 직류전원(19A)으로 A측 축전기에 충전시킬 때와 마찬가지로 B측 변압기의 1차코일(18B)에 흐른 전기에너지량은,
WB = ½ x ¼CV2 = ⅛CV2 [J] 이다.
그리고, B측에 충전이 끝난 다음에 B측 금속진공관(1B)을 동작시키면 A측 금속진공관(1A)을 동작시킬 때와 마찬가지로 B측 축전기에 저장된 전기에너지량에서 1/2은 A측으로 흐르고, B측 변압기의 1차코일에 흐른 전기에너지량도 역시 1/2인,
WB =½ x ¼CV2 = ⅛CV2 [J] 이다.
따라서, B측 변압기의 1차코일(18B)에 두번 흐른 전기에너지량의 합은,
WB =⅛CV2 + ⅛CV2 = ¼CV2 [J] 이다.
그리고, B측 금속진공관이 동작하는 동안 CB4의 (-)전기와 CB1의 (+)전기가 CA4와 CA1으로 흘러가서 충전되면 A측에는 A측 직류전원으로 충전시킬 때와 똑같은 전기에너지량이 A측 변압기의 1차코일(18A)에 흐른다. 즉, 발전을 시작하기 전, 처음에는 A측 직류전원으로 전기가 충전된다. 그러나, 발전하기 시작하면, 충전된 전기가 A, B측 금속진공관의 동작/정지작용으로 A, B측을 주기적으로 왕래한다. 이에 따라, A, B측에 정전유도 작용이 일어나면서 발전이 이루어진다.
따라서, A, B측 금속진공관이 한 번씩 동작할 때, A, B측 변압기의 1차코일(18A, 18B)에 흐른 전기에너지량의 전체합은,
WA+B =¼CV2 + ¼CV2 = ½CV2 [J] 이다.
그러므로, A, B측 금속진공관이 1초당 동작한 회수를 각각 N이라고 해서, 전력의 단위로 표시하면,
P = ½CV2 N [W] 이다.
그러나, 이것은 기본공식일 뿐이며, 실제로 적용할 때는 고려할 문제가 있다. 즉, 충전된 전기는 손실없이 A, B측을 100% 왕래한다는 가정하에, 출력공식이 유도되었지만, 상기에서 설명된 바와 같이 발전능률을 높이기 위해서 A, B측 축전기에 저장된 전기가 100% 흐르기 전에 새로 발전시키기 때문에, 이런 점들이 고려되어야 한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : A측 금속진공관(또는 금속진공관) 1': B측 금속진공관
1A: 금속관 2: 금속봉
3: 캐소드 4: 히터
5: 방열형 캐소드 6: 그리드
7: 금속망숲

Claims (4)

  1. 네 개의 축전기들(제1 축전기(CA1, CA2), 제2 축전기(CA3, CA4), 제3 축전기(CB1, CB2), 제4 축전기(CB3, CB4));
    상기 네 개의 축전기들 중 제1 및 제2 축전기들(CA1, CA2, CA3, CA4)과 연결되어 있는 A측 변압기(17A);
    상기 제1 및 제2 축전기들과 나란하게 배치되어 있는 제3 및 제4 축전기들(CB1, CB2, CB3, CB4)과 연결되어 있는 B측 변압기(17B);
    외부가 전기가 잘통하는 금속으로 형성되어 있으며, 상기 제2 축전기 및 상기 제4 축전기에 연결되어 있는 A측 금속진공관(1); 및
    외부가 전기가 잘통하는 금속으로 형성되어 있고, 상기 A측 금속진공관과 반대로 전류가 흐르며, 상기 제2 축전기 및 상기 제4 축전기에 연결되어 있는 B측 금속진공관(1')을 포함하고,
    상기 A측 금속진공관(1)의 캐소드의 단자(12A)는 상기 제2 축전기의 제2 전극(CA4)과 연결되고, 상부단자(15A)는 상기 제4 축전기의 제2 전극(CB4)과 연결되고,
    상기 B측 금속진공관(1')의 상부단자(15B)는 상기 제2 축전기의 상기 제2전극(CA4)과 연결되고, 캐소드의 단자(12B)는 상기 제4 축전기의 상기 제2 전극(CB4)과 연결되고,
    상기 A측 변압기(17A)의 1차코일(18A)은 상기 제1 축전기의 제2 전극(CA2) 및 상기 제2 축전기의 제1 전극(CA3)에 연결되고,
    상기 B측 변압기(17B)의 1차코일(18B)은 상기 제3 축전기의 제2 전극(CB2) 및 상기 제4 축전기의 제1 전극(CB3)에 연결되고,
    상기 제1 축전기의 제1 전극(CA1)과 상기 제3 축전기의 제1 전극(CB1)은 서로 연결되어 있고,
    상기 A측 금속진공관 및 상기 B측 금속진공관 각각은,
    금속으로 형성되며 상기 금속진공관의 외관을 형성하는 금속관(1A);
    상기 금속관의 중심에 구비되는 금속봉(2);
    상기 금속봉의 외주면과 상기 금속관의 내주면 사이에 차례로 배치되는 방열형 캐소드(3), 히터(4), 방열형 캐소드(5), 그리드(6); 및
    상기 그리드와 상기 금속관 사이에 배치되고, 여러겹의 금속망으로 구성되며 전기적으로 연결되어 고정된 금속망숲(7)을 포함하고,
    (-)전기로 대전된 금속봉(2)은, 열전자를 상기 금속망숲(7)으로 밀어내는 기능을 수행하고,
    상기 그리드는 열전자를 상기 금속망숲(7)으로 밀어내는 기능을 수행하거나, 또는 열전자가 상기 금속망숲(7)으로 흘러가지 못하도록 막아서 상기 A측 금속진공관 또는 상기 B측 금속진공관의 동작을 정지시키는 기능을 수행하며,
    상기 금속망숲으로 전달된 열전자는 상기 금속관을 통해 외부로 전달되는 회전체 없는 정전유도 발전기.

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KR20220064489A (ko) 2020-11-12 2022-05-19 강삼정 회전체 없는 정전유도 발전기

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