KR20010005509A - 리프트 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전운동할 수 있도록 서로 연결된 적어도 두 개의 물체(12)를 가지며, 상기 두 개의 물체(12)중의 하나는 중력의 방향으로 이동하고 다른 물체는 그 와 반대로 이동하며, 각 물체(12)는 이동방향이 바뀔 때 중력의 방향으로 이동하는 물체(12)의 체적이 반대방향으로 이동하는 물체(12)의 체적보다 작도록 그 체적이 변하는 토크발생장치에 관한 것이다.

Description

리프트 모터{LIFT MOTOR}
본 발명은 토크를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
이런 장치들은 기술분야에서, 특히 기계류의 구동부로서 여러 방식으로 요구된다.
도 1은 부력차를 발생시키기 위해 한 쌍의 물체를 갖는 본 발명에 따른 장치를 크게 간략화한 개략도.
도 2a는 피스톤이 확장된 피스톤 및 실린더부의 개략단면도.
도 2b는 피스톤이 수축된 피스톤 및 실린더부의 개략단면도.
도 3은 부력을 발생시키기 위한 다수의 물체가 쌍으로 배치된 본 발명에 따른 장치의 개략도.
본 발명의 목적은 특히 토크를 발생시키기 위해 부력을 사용하는 상기 타입의 다른 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 따른 장치에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 적어도 두 개의 물체가 회전운동할 수 있도록 서로 연결되고, 상기 두 개의 물체중의 하나는 중력의 방향으로 이동하고 다른 물체는 그 와 반대로 이동하며, 각 물체는 이동방향이 바뀔 때 중력의 방향으로 이동하는 물체의 체적이 반대방향으로 이동하는 물체의 체적보다 작도록 그 체적이 변한다.
따라서 각 물체의 체적이 변하는 방식은 하향운동, 다시 말해 본질적으로는 중력의 방향으로의 운동이 상향운동, 다시 말해 중력의 반대방향으로의 운동으로 변할 때 체적이 증가하는 한편 물체의 운동이 다시 하향운동으로 변하자마자 감소하는 것이다. 이렇게 운동방향이 변할 때 물체의 체적이 교대로 증가 및 감소하면 어느 주어진 시간에 상향이동하는 물체는 그 체적이 크기 때문에 하향이동하는 물체보다 큰 부력을 받는다. 이에 따라서 물체들의 회전운동이 만들어진다.
만일 서로 연결된 두 개의 물체가 각 물체의 체적이 교대로 변함에도 불구하고 모든 물체의 총 체적이 일정하다면 특히 유리하다.
또한 본 발명에 따른 장치는 원칙적으로 홀수의 물체로 동작될 수 있지만, 바람직하게는 회전운동에 대하여 서로 쌍으로 반대측에 배치되게 물체들을 준비한다. 이렇게 물체들이 쌍으로 대칭적으로 배치됨으로써 특히 균일한 토크발생이 보장된다.
원칙적으로 본 발명에 따른 장치는 적어도 본 장치에 작용하는 마찰력을 극복할 수 있는 충분히 큰 부력의 향상을 공급하도록 물체의 체적변화가 실제적인 어떤 유체에서도 동작될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 물체들은 그 회전운동중의 적어도 약간 동안 액체 속에 잠긴다. 액체, 특히 물 속에 본 장치의 적어도 일부 편의상으로는 완전히 배치됨으로써, 체적변화가 비교적 적더라도 비교적 큰 부력의 증가가 달성될 수 있다. 예를 들어, 각 경우에 각 물체의 체적이 1dm3(1L)가 증가하면 부력이 9.81N(1kp) 증가한다.
만일 토크를 부여할 수 있는 샤프트에 장착되는 적어도 하나의 편향휘일을 갖는 적어도 하나의 편향장치 위에 환형방식으로 연장되는 텐숀부재에 의해 각 물체들이 서로 연결된다면 특히 편리하다.
토크를 발생시키기 위해 가능한 큰 부력차를 사용하기 위해서는, 서로에게 지정된 각 셋트의 두 개의 물체, 바람직하게는 모든 물체는 동일한 크기를 갖는다. 이렇게 본 발명의 장치는 그 장치에 작용하는 중량에 대하여 완전히 평형을 유지할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 구체예에 있어서, 각 물체는 피스톤 및 실린더부로서 설계되며, 피스톤은 중력에 대한 피스톤 및 실린더부의 배향의 함수로서 그 피스톤에 작용하는 중량에 의해 확장 또는 수축위치로 이동할 수 있다.
이 구조에서 피스톤의 변위, 특히 확장운동 피스톤에 작용하는 중량을 기초로 하여서만 발생할 수 있도록 하기 위해, 피스톤길이(lk)는 다음의 식을 만족한다.
여기서, h는 물체가 액체 속으로 잠기는 최대깊이, pf는 액체의 밀도, pk는 피스톤재료의 밀도이다.
만일 각각의 피스톤 및 실린더부들이 이동방향의 변화시에 피스톤이 확장되거나 수축된 일 위치로부터 피스톤이 각각 수축되거나 확장된 다른 위치로 자동으로 이행한다면 특히 편리하다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 각 피스톤 및 실린더부들의 실린더챔버는 유체교환할 수 있도록 서로 연결되며, 실린더챔버는 바람직하게는 호스를 통하여 환형방식으로 서로 연결된다.
이렇게, 서로 연결된 실린더챔버 내에 자체수용유체시스템이 형성될 수 있는데, 그 효과는 하향운동으로 변하는 피스톤의 수축에 의해 만들어지는 압력이 자체수용유체시스템에 의해, 피스톤이 확장위치로 나가는 상향운동으로 변하는 피스톤 및 실린더부의 피스톤에 출력되어, 볼륨을 증가시키고 어떤 마찰손실의 발생도 보상하기 위해 피스톤상의 부가의 압력이 확장위치로의 이동을 돕는 것이다.
실린더챔버 내에 사용되는 유체는 단지 공기나 그 외의 기체가 될 수 있지만, 예를 들어 압력이 특히 잘 전달될 수 있는 이점을 갖는 유체로서 매우 가벼운 오일 등의 액체를 사용할 수도 있다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 실시예로서 설명한다.
도면에 있어서, 서로 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여한다.
도 1이 나타내는 바와 같이, 토크를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 장치는 한 쌍의 부력차(buoyancy difference) 발생체로서 두 개의 피스톤 및 실린더부(12)가 부착되는 텐숀부재(11)의 편향장치(10)로 구성된다. 편향장치(10)는 본 발명에 따른 장치에 의해 발생되는 토크를 부여하도록 샤프트(14)에 장착된 편향휘일(13)로 구성된다. 예를 들어, 샤프트(14)에는 전기에너지를 발생하기 위한 발전기가 연결될 수 있다.
사용하는 텐숀부재(11)에 따라서, 편향휘일(13)로서는 기어휘일이나 케이블드럼 등을 사용할 수 있다. 그에 따라서, 텐숀부재(11)는 체인, 케이블, 기어벨트, 텐숀벨트 등으로서 설계할 수 있다.
피스톤 및 실린더부(12)에 작용하는 힘을 텐숀부재(11)에 전달하기 위하여 각 피스톤 및 실린더부(12)는 텐숀부재(11)의 종방향으로 거리를 두고 설치된 고정핀(15) 등에 의해 텐숀부재(11)에 고정된다.
이렇게 피스톤 및 실린더부(12)를 텐숀부재(11)에 고정한 결과로서, 즉 텐숀부재(11)의 종방향으로 결국 피스톤 및 실린더부(12)의 이동방향으로 거리를 두고 설치된 고정수단의 결과로서 얻어지는 것은 피스톤 및 실린더부(12)가 전체회전운동에 걸쳐서 각 운동방향에 대하여 동일한 방향을 유지하므로 운동방향이 중력에 대하여 변할 때 자동적으로 중력에 대하여 그 위치를 변경하는 것이다.
피스톤 및 실린더부(12)의 실린더챔버(16)를 서로 연결하여 피스톤 및 실린더부를 서로 연결하기 위하여 호스(17) 등의 연결구가 유체라인으로서 제공되어 대응연결편(18) 및 커넥터(19)에 의해 피스톤 및 실린더부(12)의 실린더(20)에 고정되므로 호스(17)는 각각의 실린더챔버(16)와 유체연결된다.
도 2a 및 도 2b에 상세히 도시하는 바와 같이, 실린더(20)가 그 개방측이 하부로 향하여 도 2a에 도시하는 것처럼 배치되는 경우 피스톤이 그 실린더에 작용하는 중량에 의해 뽑아지거나 전개된 상태로 하방으로 슬라이드하도록 각 피스톤(21)은 각 실린더(20)내에 슬라이드 가능하게 배치된다. 이 동안에 피스톤(21)이 실린더(20)로부터 빠지는 것을 방지하기 위해 실린더(20)는 예를 들어 내향플랜지(22)를 갖는 한편 피스톤(21)은 그 내향플랜지와 상호작용하는 외향플랜지(23)를 갖는다. 상세히 도시하지는 않았지만 피스톤 및 실린더부(12)를 둘러싸는 매체가 실린더챔버(16)속으로 침입할 수 없도록 하기 위하여 플랜지(22)에는 피스톤(21)의 변위를 거의 방해함 없이 실린더챔버(16)를 기밀방식으로 밀봉하는 시일링수단이 배치된다.
앞으로 본 발명에 따른 장치는 완전히 수중에 배치되어 있고 호스(17)를 통해 서로 연결되어 자체수용유체시스템을 형성하는 실린더챔버(16)는 공기로 채워져 있다고 가정한다. 물 대신에 낮은 점도와 가능한 최대의 밀도를 갖는 다른 매체도 사용할 수 있다. 여기서 가정한 것처럼 물을 사용하는 경우, 실린더챔버를 채우는 유체로서는 공기 대신에 가능한 가장 가벼운 오일을 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 장치에 제공되는 허용매체를 선택하는데 중요한 인자는 실린더챔버(16) 내에 제공된 매체의 밀도가 피스톤 및 실린더부(12)를 둘러싸는 매체의 밀도보다 작아야 하는 것, 바람직하게는 아주 작아야 하는 것이다.
공기와 물 사이의 밀도차는 앞으로의 본 발명의 설명에서 실린더챔버(16) 내에 들어있는 공기의 질량을 완전히 무시할 수 있을 정도로 크다.
토크를 발생시키기 위하여 텐숀부재(11)를 통하여 편향휘일(13)의 주위로 전달되는 힘(FR)을 확인하기 위하여 피스톤 및 실린더부(12)에 작용하는 힘은 처음에는 개별적으로 생각될 것이다. 도 1의 좌측에 도시한 피스톤 및 실린더부(12)에 작용하는 것은 그 중량(Gl)이외에 중량(Gl)의 명백한 감소를 야기하는 주위의 물에 의해 발생되는 부력(FA; Vl)이다. 부력은 공지된 바와 같이 도 1의 좌측에 도시한 피스톤 및 실린더부(12)의 체적(Vl)에 의존하며 식 FA(Vl) = g·pf·Vl에 의해 계산된다. 이 경우, g는 중력에 의한 가속도이고 pf는 피스톤 및 실린더부(12)를 둘러싸는 매체, 다시 말해 물의 밀도이다.
따라서, 도 1의 우측에 도시한 피스톤 및 실린더부(12)는 그에 작용하는 중량(Gr) 뿐만 아니라 식 FA(Vr) = g·pf·Vr을 만족시키는 부력(FA; Vr)을 받는데, 여기서 Vr은 우측의 피스톤 및 실린더부(12), 다시 말해 피스톤(21)이 들어간 피스톤 및 실린더부(12)의 체적이다.
좌측 및 우측의 피스톤 및 실린더부(12)로부터 텐숀부재(11)에 전달되는 힘은 텐숀부재(11)에 대하여 양방향으로 작용하고 각 경우의 부력은 중력에 대항하여 작용하는 것을 기억한다면, 합성력(FR)으로는 다음의 식이 얻어진다.
FR= FA(Vl)·FA(Vr) + Gr- Gl
부력에 대한 상기의 식으로부터 그 후 합성력으로 다음의 식이 얻어진다.
FR= g·pf·(Vl- VR) + (Gr- Gl)
만일 본 발명에 바람직하게 제공되는 바와 같이 피스톤 및 실린더부(12)들이 동일한 방식으로 설계되어 동일한 중량을 갖는다면, 이 중량들은 서로 상쇄되고 샤프트(14)에 토크를 발생시키기 위해 편향휘일(13)에 작용하는 합성력(FR)은 두 개의 피스톤 및 실린더부(12)사이의 체적차 ΔV = Vl- Vr에만 의존한다. 이 체적차(ΔV)는 원통형 피스톤(21)의 경우 피스톤스트로크(lh)와 피스톤의 단면적(Ak)의 곱과 일치한다. 합성력(FR)으로서는 다음 식을 적용한다.
FR= g·pf·lh·Ak
피스톤(21)이 그 자유표면적(21')에 작용하는 힘, 즉 각 경우에 지배하는 수압에 의해 생기는 도 2a에서의 상향력에 대항하여 확장위치로 변위할 수 있게 하기 위하여, 피스톤길이(lk)는 바람직하게는 다음의 식을 만족하도록 선택된다.
상기 식에서, h는 피스톤 및 실린더부(12), 즉 피스톤(21)의 가능한 최대진입깊이, 다시 말해 피스톤(21)의 자유표면적(21')의 최하측 위치와 수면사이의 거리이며, pk는 피스톤재료의 밀도이다.
이하 본 발명에 따른 장치의 작용을 도 3을 참조하여 설명하는데, 도 3은 각 경우에 서로 쌍으로 배치된 피스톤 및 실린더부(12)를 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 상측의 편향장치(10)이외에 본 장치는 하측샤프트(34)에 배치된 편향휘일(33)을 갖는 하측의 편향장치(13)를 갖는다.
도 3에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 좌측에 배치된 6개의 피스톤 및 실린더부(12)의 각각은 우측에 배치된 피스톤 및 실린더부(12)보다 ΔV = Vl- Vr= lh·Ak만큼 큰 체적을 갖는데, 이 것은 그 경우 피스톤(21)이 확장된 위치에 있기 때문이다. 그 결과, 텐숀부재(11)에 작용하는 합성력(FR)은 마찰손실 등을 무시하여 6·g·pf·ΔV이다. 이 힘(FR)은 피스톤 및 실린더부(12)가 회전운동하게 하는데, 여기서 좌측의 상향운동으로부터 우측의 하향운동으로 교체하는 각 피스톤 및 실린더부(12.2a)의 피스톤(21)은 체적을 줄이기 위해 실린더(20)속으로 그 피스톤에 작용하는 중량에 의해서만 밀어진다. 동시에, 하측의 편향장치(30)의 영역의 피스톤 및 실린더부(12.2b)는 우측의 하향운동으로부터 좌측의 상향운동으로 교체하는데, 여기서 피스톤(21)은 이 영역에 지배하는 수압에 대항하여 그 피스톤에 작용하는 중량에 의해 체적을 확장하기 위해 실린더(20)로부터 나온다.
각 셋트의 두 개의 피스톤 및 실린더부(12)는 최상부 및 최하부의 피스톤 및 실린더부(12.1a 및 12.1b) 또는 피스톤 및 실린더부(12.2a 및 12.2b)처럼 회전운동에 대하어 서로 반대측에 배치되도록 서로 쌍으로서 지정되어 있기 때문에, 각 경우에 다시 말해 피스톤 및 실린더부(12.1a)의 위치로부터 피스톤 및 실린더부(12.2a)의 위치로의 변화시에 피스톤(21)의 압입이 일어나는 한편 피스톤 및 실린더부(12.1b)의 위치로부터 피스톤 및 실린더부(12.2b)의 위치로의 대응 변화시에는 피스톤이 나온다. 피스톤 및 실린더부(12.2a)의 실린더챔버(16)의 공기체적의 압축에 의한 자체수용시스템내의 공기압의 증가의 결과로서, 서로 대응하는 양측의 피스톤 및 실린더부(12.2b)의 피스톤(21)의 확장이 도와진다.
예를 들어, 피스톤 및 실린더부(12)의 피스톤(20)의 재료로서 7.87kg/dm3의 밀도를 갖는 스틸을 사용하고 본 장치를 그 최하측 지점이 수중 약 2m의 깊이로 배치한다고 가정하면, 약 25cm의 피스톤길이(lk)가 필요하다. 따라서, 만일 예를 들어 직경 22cm, 길이 25cm의 피스톤을 사용하고 이 피스톤이 20cm의 피스톤스트로크를 행할 수 있다면 약 4dm3의 체적변화(ΔV)가 얻어지는데, 이 것은 약 40N의 부력(압축수 4kg에 해당)이 된다. 이런 6개의 피스톤 및 실린더부에 의해 235N의 합성력(FR)이 얻어지는데, 이 것은 편향휘일(13)의 직경에 따라서, 전기에너지를 발생시키기 위한 발전기를 구동하는데 사용될 수 있는 샤프트(14)에 대응하는 토크를 발생시킨다.
본 발명에 따른 장치의 각 구성요소의 재료를 적절히 선택하고 적절한 크기로 함으로써 넓은 범위에 걸친 토크가 간단하게 얻어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 회전운동할 수 있도록 서로 연결된 적어도 두 개의 물체(12)를 가지며, 상기 두 개의 물체(12)중의 하나는 중력의 방향으로 이동하고 다른 물체는 그 와 반대로 이동하며, 각 물체(12)는 이동방향이 바뀔 때 중력의 방향으로 이동하는 물체(12)의 체적이 반대방향으로 이동하는 물체(12)의 체적보다 작도록 그 체적이 변하는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  2. 제 1항에 있어서, 서로 연결된 두 개의 물체(12)는 각 물체(12)의 체적이 교대로 변화함에도 불구하고 모든 물체(12)의 총 체적은 일정하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 물체(12)는 회전운동에 대하여 서로 쌍으로 반대측에 배치되는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  4. 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 물체(12)는 그 회전운동중의 적어도 일부동안에 액체 속에 잠기는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  5. 상기 항 중의 한 항에 있어서, 상기 각 물체(12)는 적어도 하나의 편향장치(10)위로 환형방식으로 연장되는 텐숀부재(11)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 편향장치(10)는 토크를 부여할 수 있는 샤프트(14)에 장착된 적어도 하나의 편향휘일(13)을 갖는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  7. 상기 항 중의 한 항에 있어서, 쌍으로서 서로에게 지정된 각 셋트의 두 개의 물체(12), 바람직하게는 모든 물체(12)는 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  8. 상기 항 중의 한 항에 있어서, 각 물체는 피스톤 및 실린더부(12)로서 설계되며, 피스톤(21)은 중력에 대한 피스톤 및 실린더부(12)의 배향의 함수로서 그 피스톤에 작용하는 중량에 의해 확장 또는 수축위치로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  9. 제 8항에 있어서, 피스톤의 길이(lk)는 다음의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
    여기서, h는 물체(12)가 액체 속으로 잠기는 최대깊이, pf는 액체의 밀도, pk는 피스톤재료의 밀도이다.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 각 피스톤 및 실린더부(12)는 운동의 방향이 변하는 경우, 피스톤(21)이 확장되거나 수축된 일 위치로부터 피스톤(21)이 각각 수축되거나 확장된 다른 위치로 자동으로 이동되는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  11. 제 8항 또는 제 10항에 있어서, 각 피스톤 및 실린더부(12)의 실린더챔버(16)들은 유체교환할 수 있도록 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
  12. 제 11항에 있어서, 실린더챔버(16)들은 바람직하게는 호스(17)에 의해 서로 환형방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 토크발생장치.
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