KR200376601Y1 - 에너지 변환 교육 교재 - Google Patents

Abstract

본 고안은 에너지 변환 교육 교재에 관한 것으로, 전체 구조를 지지하는 받침대와; 상기 받침대에 수직으로 부착 고정된 지지대와; 상기 지지대의 끝단에 위치하는 회전지지대와; 상기 회전지지대의 횡방향 중앙에 위치하는 천공에 삽입되는 회전축의 일단에 결합되는 회전륜과; 상기 회전륜이 결합되는 회전축의 타단에 결합되는 프로펠러와; 상기 프로펠러와 회전지지대의 사이에측 회전축에 결합되는 자석과; 상기 지지대의 하부 측에 회전 가능하도록 결합된 구동륜과; 상기 회전륜과 구동륜의 외주에 감겨있는 직선형상을 기억한 형상기억합금 와이어와; 상기 프로펠러의 하부측 지지대의 소정위치에 결합되어, 전기에너지를 다른 에너지로 변환시켜 시청각적으로 확인 할 수 있는 에너지 확인부와; 상기 에너지 확인부와 회전지지대의 사이의 지지대에 고정되어 위치하는 보빈과; 상기 보빈에 소정의 회수로 감겨있으며, 그 양단이 상기 에너지 확인부에 연결되는 에나멜코일과; 상기 에나멜코일이 감긴 보빈을 관통하여 상기 자석의 좌우측으로 소정거리 이격되는 위치까지 연장되는 금속판으로 구성되어, 보다 낮은 열에서도 에너지 변환이 일어나도록 함으로써, 관찰 시간을 연장시키는 효과가 있다.

Description

에너지 변환 교육 교재{Teaching Material For Energy Conversion}

본 고안은 에너지 변환 교육 교재에 관한 것으로, 특히 열에너지의 운동에너지의 변환과정과, 운동에너지의 전기에너지로의 변환과정을 학생들이 직접 눈으로 확인할 수 있도록 하며, 보다 적은 열에너지 또는 풍력을 기타 다른 에너지로 변환할 수 있는 변환 교육 교재에서 관한 것이다.

일상생활에서 전기에너지 변환의 예는 많이 볼 수 있다. 전기에너지를 빛에너지 또는 열에너지로 변경하는 예는 전등이나 전열 기구를 통해 확인할 수 있으며, 전기에너지를 운동에너지로 변환하는 예는 선풍기 등의 모터를 이용한 기기에서 확인할 수 있다.

그러나 일상생활에서 기타의 에너지를 전기에너지로 변환하는 예는 많지 않다. 자전거 등의 라이트를 예로 들 수 있으나, 인력이 가해지는 운동 에너지를 이용한 예이며, 다양한 에너지 상호간의 변환과정의 예는 찾아보기 힘들다.

따라서 과학교육에서 중요하게 생각하는 눈으로 보고, 느낄 수 있는 실험의 대상으로서, 아이들이 직접 에너지 변환과정을 체험하기가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 실용신안등록출원인이 2003년 6월 24일자로 출원하여 2003년 9월 18일자로 실용신안등록된 실용신안등록번호 제0328231호(고안의 명칭 : 에너지 변환 교육 교재)에 기재된 바와 같이 열에너지를 운동에너지로 변환하고, 그 운동에너지가 다시 전기에너지로 변환되는 과정을 직접 육안으로 확인할 수 있도록 한 에너지 변환 교육 교재가 제안되었다.

이와 같은 에너지 변환 교육 교재는 다양한 에너지의 상호 변환과정을 직접 체험하도록 하는 효과가 있는 것이나, 그 구조에서 제조단가가 상승하고, 보빈의 무게가 증가하여 형상기억합금 와이어의 양단 온도차가 큰 경우에만 동작하는 문제점이 있었다.

즉, 고온의 물에 그 형상기억합금 와이어의 일단을 담근 경우에만 동작하며 보다 저온에서는 상기 형상기억합금 와이어의 복원력이 충분히 작용하지 않아 동작을 하지 않는 경우가 발생한다.

이는 물이 쉽게 식게 되어 보다 오래 동안 에너지 변환을 지속할 수 없는 문제점이 있었다.

또한 고온의 물을 사용하기 때문에 더욱 각별한 주의가 필요한 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 고안은 상대적으로 저온의 물을 사용하여 에너지 변환과정을 확인할 수 있는 에너지 변환 교육 교재를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 고안은 보다 장시간 동안 에너지 변환 과정을 확인할 수 있는 에너지 변환 교육 교재를 제공함에 다른 목적이 있다.

아울러 본 고안의 또 다른 목적은 상대적으로 제조비용을 절감할 수 있는 에너지 변환 교육 교재를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 전체 구조를 지지하는 받침대와; 상기 받침대에 수직으로 부착 고정된 지지대와; 상기 지지대의 끝단에 위치하는 회전지지대와; 상기 회전지지대의 횡방향 중앙에 위치하는 천공에 삽입되는 회전축의 일단에 결합되는 회전륜과; 상기 회전륜이 결합되는 회전축의 타단에 결합되는 프로펠러와; 상기 프로펠러와 회전지지대의 사이 회전축에 결합되는 금속케이스에 내장된 자석과; 상기 지지대의 하부 측에 회전 가능하도록 결합된 구동륜과; 상기 회전륜과 구동륜의 외주에 감겨있는 직선형상을 기억한 형상기억합금 와이어와; 상기 프로펠러의 하부측 지지대의 소정위치에 결합되어, 전기에너지를 다른 에너지로 변환시켜 시각 또는 청각적으로 확인 할 수 있는 에너지 확인부와; 상기 에너지 확인부와 회전지지대의 사이의 지지대에 고정되어 위치하는 보빈과; 상기 보빈에 소정의 회수로 감겨있으며, 그 양단이 상기 에너지 확인부에 연결되는 에나멜코일과; 상기 에나멜코일이 감긴 보빈을 관통하여 상기 자석의 좌우측으로 소정거리 이격되는 위치까지 연장되는 금속판으로 구성함에 그 특징이 있다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안 에너지 변환 과정 교육 교재의 정면도이고, 도 2는 그 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 받침대(1)에 수직으로 부착된 지지대(2)와; 상기 지지대(2)의 끝단에 위치하며, 그 일단의 외측에 프로펠러(6)가 결합되는 회전지지대(9)와; 상기 회전지지대(9)의 중앙에 위치하는 천공에 삽입되는 회전축(10)의 일단에 결합되는 회전륜(3)과; 상기 프로펠러(6)와 회전지지대(9)의 사이에 결합되는 자석(12)과; 상기 지지대(2)의 하부 측에 회전 가능하도록 결합된 구동륜(4)과; 상기 회전륜(3)과 구동륜(4)의 외주에 감겨있는 직선형상을 기억한 형상기억합금 와이어(5)와; 상기 프로펠러(6)의 하부측 지지대(2)의 소정위치에 결합되어, 전구 또는 음향발생기를 결합할 수 있는 에너지 확인부(11)와; 상기 에너지 확인부(11)와 자석(11) 사이의 지지대(2)에 결합된 보빈(8)과; 상기 보빈(8)에 복수회 감겨 있으며, 상기 에너지 확인부(11)의 소정위치에 연결되는 에나멜코일(7)과; 상기 에나멜코일(7)이 감긴 보빈(8)의 중앙부를 관통하며, 상기 자석(12)의 좌우측에서 소정거리 이격된 위치까지 연장되는 금속판(13)으로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 고안의 구성 및 작용과 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 형상기억합금 와이어(5)는 회전륜(3)과 구동륜(4)의 외주를 연결하는 길이보다 약간 더 길게 하여 온도의 변화에 따라 수축과 팽창이 일어나도록 한다.

또한, 그 형상기억합금 와이어(5)는 직선의 형상을 기억하고 있으며, 직선 형태의 와이어를 적당한 길이로 잘라 양 끝단을 결합수단으로 연결하여 원형으로 형성한다.

이처럼 형성된 형상기억합금 와이어(5)는 약 55℃의 온도가 되면 직선형으로 되돌아가려는 성질을 나타내며, 그 온도 이하에서는 회전륜(3)과 구동륜(4)의 외주에 걸쳐져 타원형으로 다시 변형된다.

이와 같은 형상기억합금 와이어(5)의 작용에 의해 구동륜(4)의 외주에 위치하는 형상기억합금 와이어(5)의 일부를 더운 물에 담그면, 그 더운 물에 담겨진 형상기억합금 와이어(5)의 일부는 기억하고 있는 직선형상으로 복원되며, 인위적으로 프로펠러를 한 번 회전시키면, 이후에는 그 형상기억합금 와이어(5)의 변형에 의해 회전륜(3)과 구동륜(4) 사이에 연결된 형상기억합금 와이어(5)가 수축과 팽창을 반복하게 되어 구동륜(4)과 회전륜(3)이 지속적으로 회전한다.

상기 회전륜(3)과 구동륜(4)는 각각 외주에 상기 형상기억합금 와이어(5)가 삽입되는 홈이 형성되어 있으며, 쉽게 구동될 수 있도록 회전 마찰력을 최소화할 수 있는 구조를 가진다.

상기 구동륜(4)의 회전축은 상기 지지대(2)에 고정되어 있으며, 구동륜(4)이 회전할 때, 회전축은 회전하지 않는 구조를 가지며, 회전륜(3)의 회전축(10)은 그 회전륜(3)의 중심과 프로펠러(6)의 중심에 고정되어 있어, 회전륜(3)이 회전하면, 회전축과 프로펠러(6)가 함께 회전하는 구조이다.

이와 같이 프로펠러(6)가 회전하면, 상기 자석(12)도 함께 회전하게 된다.

상기 자석(12)은 금속 케이스에 실링된 것이다.

상기 자석(12)은 프로펠러(6)와 회전륜(3)의 회전축(10)을 중심으로 서로다른 극성을 가지는 자석들이 배열된 것이다.

도 3은 상기 자석(12)의 다양한 실시 예를 보인 구성도로서, N극과 S극을 가지는 두 자석을 사용할 수 있고, N극과 S극의 측면이 접하도록 다수의 자석을 교번하여 배치할 수 있다.

상기 자석의 수가 많을수록 회전운동을 전기에너지로 변환이 용이하다.

상기 자석(12)의 회전에 의하여 상기 그 자석(12)의 양측면에서 소정거리 이격된 금속판(13)의 양단 극성은 N극과 S극을 지속적으로 반복하여 변화되며, 이에 따라 상기 금속판(13)의 중앙 외측부의 보빈(8) 주변에 감긴 에나멜코일(7)에는 유도전류가 발생한다.

상기 자석(12)은 금속 케이스(14) 내에 위치한다.

도 4는 상기 보빈(8)의 상세 구성도로서, 상기 지지대(2)에 결합되는 결합부(16)와, 상기 결합부(16)와 연결되어 지지대(2)로부터 돌출되는 면을 제공하는 수평 지지판(17)과, 상기 수평 지지판(17)의 상부측 양단에 수직으로 설치되며 중앙에 통공을 가지는 두 수직 지지판(18)과, 상기 두 수직 지지판(18)의 통공에 결합되며, 외주면에는 상기 에나멜코일(7)이 권선되는 권선 원통(19)으로 구성된다.

상기 권선 원통(19)과 수직 지지판(18)의 통공으로는 상기 금속판(13)이 관통되어 설치되며, 상기 수직 지지판(18)의 측면에는 그 금속판(13)을 고정하는 고정부(20)가 마련된다.

이와 같은 구조에 의하여 고정된 상기 금속판(13)은 자석(12)의 회전에 의해 양단의 극성이 변화되며, 그 금속판(13)과 자석(12)의 이격거리를 조정할 수 있어 자석(12)의 자력에 의해 유도되는 금속판(13)의 자력을 조정할 수 있게 된다.

상기 에나멜코일(7)에 흐르는 유도전류는 에너지 전구가 삽입되는 소켓을 구비하는 에너지 확인부(11)에 인가된다.

상기 에너지 확인부(11)는 전구를 사용할 수 있으며, 기타 음향을 출력할 수 있는 음향출력회로를 사용할 수 있다.

이와 같은 유도전류의 공급에 의해 상기 전구에는 불이 들어오게 된다.

상기의 구조에서 각 구성의 재질은 목재이거나, 플라스틱류 또는 금속재질을 부분 또는 전체적으로 사용할 수 있다.

이하, 상기와 같은 동작을 수행하는 본 고안을 에너지의 변환에 초점을 맞춰 상세히 설명한다.

도 5는 본 고안의 사용 상태도로서, 이에 도시한 바와 같이 비이커 또는 물 컵(15)에 55℃이상으로 가열된 물을 담아, 상기 구동륜(4)의 일부가 잠기도록 받침대(1) 위에 위치시킨다.

이때, 상기 구동륜(4)이 물 컵(15)에 잠기도록 용이하게 설치하기 위하여, 상기 지지대(2)에는 길이조정수단을 구비할 수 있다.

또한, 상기 지지대(2)에는 구동륜(4)의 축을 삽입고정하는 천공이 마련되어 있으며, 그 천공을 수직방향으로 다수로 구비시켜 상기 구동륜(4)의 설치 높이를 변경하여 물 컵(15)을 설치하기 용이하도록 할 수 있다.

이와 같이 물 컵(15)을 위치시킨 후, 프로펠러(6)를 손 또는 입으로 불어서 회전시키면 상기 프로펠러(6)는 물이 식어서 55℃이하가 되기 이전에는 지속적으로 회전을 하게 된다.

이때 종래 에너지변환 교육교재는 보빈과 자석의 구조 및 프로펠러와 접하는 상태 등이 본 고안과 차이가 있어 55℃ 이상의 온도에서도 회전이 멈추는 경우가 발생한다.

그러나 본 고안은 보빈(8)과 에나멜코일(7)을 분리하고, 자석의 무게를 줄여 55℃이하가 되기 전에는 지속적으로 회전을 시킬 수 있어, 보다 낮은 온도의 물을 사용하더라도 보다 장시간동안 에너지가 변화되는 과정을 관찰 할 수 있게 된다.

이때의 회전방향은 최초 사용자가 회전시킨 방향으로 회전한다.

즉, 상기 형상기억합금 와이어(5)가 감겨있는 구동륜(4)을 55℃이상의 온도인 물에 그 구동륜(4)의 일부가 담기도록 하면 그 물에 담겨진 형상기억합금 와이어(5)는 가열되어 직선으로 되돌아가려고 한다.

이때 프로펠러(6)를 인위적으로 회전시키면 그 회전방향에 따라 물에서 빠져 나온 형상기억합금 와이어(5)는 공기 중에서 식게 되고, 새롭게 물에 들어가는 형상기억합금 와이어(5)의 일부는 다시 직선형으로 되돌아가려는 성질을 나타내므로, 구동륜(4)의 좌우측에 위치하는 형상기억합금 와이어(5)는 프로펠러(6)의 회전방향으로의 인력이 작용하게 된다.

이와 같은 인력의 작용에 의해 물의 온도가 55℃이하로 떨어지지 않으면, 한번 회전시킨 프로펠러(6)는 계속 회전하게 된다.

상기의 과정은 형상기억합금의 성질을 어린이들에게 시각적으로 확인 시켜 줄 수 있으며, 에너지의 상호 변환 과정을 인지할 수 있도록 하여 학습의 효과를 높일 수 있다.

상기 프로펠러(6)의 회전 속도는 물의 온도와 공기의 온도차에 의해 결정된다.

즉, 물의 온도와 작동하는 위치의 대기 온도의 차가 심하면, 형상기억합금 와이어(5)의 가열속도와 식는 속도가 더 증가하게 되며, 이는 구동륜(4)의 좌우측 형상기억합금 와이어(5)의 인력을 증가시켜 프로펠러(6)의 회전 속도를 증가시키게 된다.

이와 같은 점에 착안하여 회전륜(3) 부분에서 형상기억합금 와이어(5)의 온도를 쉽게 낮출 수 있도록, 상기 프로펠러(6)는 회전하면서 기류를 형성할 수 있도록 구성한다.

상기 프로펠러(6)의 회전에 의해 형성된 기류에 의해 상기 회전륜(3)의 위치에 있는 형상기억합금 와이어(5)는 더 빨리 식게 되며, 이에 따라 그 형상기억합금 와이어(5)에 의해 회전륜(3)은 더욱 빨리 회전할 수 있게 된다.

이에 따라 프로펠러(6)의 회전 속도 또한 증가하게 되며, 이와 같은 상호 작용에 의하여 학생들이 형상기억합금 와이어(5)의 특성을 보다 쉽게 이해할 수 있다.

상기의 과정은 물의 열에너지를 형상기억합금 와이어(5)의 특성에 의해 운동에너지로 변환하는 과정을 쉽게 이해할 수 있도록 보여준다.

그 다음, 상기 물 컵의 더운물이 가지고 있는 열에너지가 운동에너지로 변환된 후, 그 프로펠러(6)와 회전 지지대(9) 사이의 회전축(12)에 부착된 자석(12)이 회전함에 따라, 그 자석(12)과 소정거리 이격된 금속판(13)의 양단측은 극성은 빠르고 주기적으로 교차 변환되며, 이에 따라 금속판(13)의 중앙부 외측 보빈(8) 주변에 감겨있는 에나멜 코일(7)에는 유도전류가 발생하며, 이는 운동에너지가 전기적인 에너지로 변환됨을 나타낸다.

이때의 전기적인 에너지는 시각 또는 청각적으로 확인할 수 없는 것이므로, 전기에너지를 시각 또는 청각으로 확인할 수 있도록, 그 전기적인 에너지를 다른 에너지로 변환한다.

상기 에나멜 코일(7)의 양단은 에너지 확인부(11)에 연결되어 있으며, 상기 에너지 확인부(11)에는 상기 설명한 바와 같이 전구를 삽입할 수 있는 소켓을 구비하여, 상기 에나멜 코일(7)에서 발생된 유도전류를 빛에너지로 변환하는 전구에 의해 에너지의 변환과정을 확인할 수 있게 된다.

또한, 상기 에나멜 코일(7)의 감은 회수는 전기에너지의 발생정도에 직접적인 영향을 미치며, 이는 전구의 밝기로 표시된다.

이를 통해 물리적인 에너지의 변환과정 뿐만 아니라 전기적인 에너지의 생성과정도 쉽게 이해할 수 있게 된다.

상기 에너지 확인부(11)에 전구를 삽입할 수 있도록 한 것은 일실시 예이며, 모터를 사용하여 다시 운동에너지로 변환하거나, 전자키트를 시용하여 지정된 음향을 출력하도록 할 수 있다.

즉, 상기 에너지 확인부(11)는 필요에 따라 상기 지지대(2)에 착탈 가능한 구성이며, 보다 다양한 학습효과를 위해 다양한 전기에너지를 이용한 응용 제품을 사용할 수 있도록 구성한다.

이처럼 본 고안은 열에너지를 운동에너지로 변환하고, 그 운동에너지를 다시 전기에너지로 변환하며, 그 전기에너지를 빛에너지 또는 음파에너지로 변환할 수 있다.

또한, 본 고안은 열에너지를 사용하지 않고, 풍력을 운동에너지로 변환하고, 이를 다시 전기에너지로, 그 전기에너지를 빛 또는 음파로 변환하는 과정을 이해하는데 사용할 수 있다.

즉, 상기 프로펠러(6)에 바람을 불어주면 회전축(10)의 회전에 따라 자석(12)은 회전하게 되며, 그 회전에 의해 금속판(13)의 양단 극성은 변화되고, 이에 따라 에나멜코일(7)에는 유도전류가 발생되어 에너지확인부(11)에서 확인이 가능하게 된다.

상기한 바와 같이 본 고안은 열에너지, 운동에너지, 전기에너지, 음파에너지, 빛에너지 상호간의 변환과정을 눈으로 확인할 수 있도록 함으로써, 에너지변환과정에 대한 학습효과를 높이는 효과가 있다.

특히, 유도전류를 발생시키는 자석과 코일을 서로 분리하여 설치하여 보다 낮은 열에너지에서도 쉽게 자석이 회전할 수 있도록 함으로써, 1회의 실험 시간을 연장하여 관찰 시간을 보다 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 고안은 형상기억합금 와이어의 특성을 가시화하여 학생들에게 형상기억합금의 원리를 쉽게 이해할 수 있도록 하여 학습효과를 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 고안 에너지 변환 교육 교재의 정면도.

도 2는 본 고안 에너지 변환 교육 교재의 사시도.

도 3은 본 고안에 적용되는 자석의 다양한 실시예도.

도 4는 본 고안에 적용되는 보빈의 상세 구성도.

도 5는 본 고안 에너지 변환 교육 교재의 사용상태도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 받침대 2 : 지지대

3 : 회전륜 4 : 구동륜

5 : 형상기억합금 와이어 6 : 프로펠러

7 : 에나멜 코일 8 : 보빈

9 : 회전지지대 10 : 회전축

11 : 에너지 확인부 12 : 자석

13 : 금속판 14 : 금속 케이스

Claims (3)

1. 전체 구조를 지지하는 받침대와; 상기 받침대에 수직으로 부착 고정된 지지대와; 상기 지지대의 끝단에 위치하는 회전지지대와; 상기 회전지지대의 횡방향 중앙에 위치하는 천공에 삽입되는 회전축의 일단에 결합되는 회전륜과; 상기 회전륜이 결합되는 회전축의 타단에 결합되는 프로펠러와; 상기 프로펠러와 회전지지대의 사이 회전축에 결합되는 금속케이스에 내장된 자석과; 상기 지지대의 하부 측에 회전 가능하도록 결합된 구동륜과; 상기 회전륜과 구동륜의 외주에 감겨있는 직선형상을 기억한 형상기억합금 와이어와; 상기 프로펠러의 하부측 지지대의 소정위치에 결합되어, 전기에너지를 다른 에너지로 변환시켜 시각 또는 청각적으로 확인 할 수 있는 에너지 확인부와; 상기 에너지 확인부와 회전지지대의 사이의 지지대에 고정되어 위치하는 보빈과; 상기 보빈에 소정의 회수로 감겨있으며, 그 양단이 상기 에너지 확인부에 연결되는 에나멜코일과; 상기 에나멜코일이 감긴 보빈을 관통하여 상기 자석의 좌우측으로 소정거리 이격되는 위치까지 연장되는 금속판으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 에너지 변환 교육 교재.
2. 제 1항에 있어서, 자석은 상기 회전축을 중심으로 상호 대칭되는 적어도 하나 이상의 N극과 S극 쌍의 단위 자석으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 에너지 변환 교육 교재.
3. 제 1항에 있어서, 상기 보빈은 상기 지지대에 결합되는 결합부와, 상기 결합부와 연결되어 지지대로부터 돌출되는 면을 제공하는 수평 지지판과, 상기 수평 지지판의 상부측 양단에 수직으로 설치되며 중앙에 통공을 가지는 두 수직 지지판과, 상기 두 수직 지지판의 통공에 결합되며, 외주면에는 상기 에나멜코일이 권선되는 권선 원통으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 에너지 변환 교육 교재.