KR200423311Y1

KR200423311Y1 - 에너지 변환 교육교재

Info

Publication number: KR200423311Y1
Application number: KR2020060013500U
Authority: KR
Inventors: 허철
Original assignee: 허철
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2006-08-04

Abstract

본 고안은 에너지 변환 교육교재에 관한 것으로, 스위치에 의해 전원 공급과 차단이 제어되는 배터리팩과, 상기 배터리팩의 전원을 공급받아 열을 발생시키며, 발생된 열에 의해 직선 형상으로 복원되는 형상기억합금 와이어와, 일단이 상호 힌지결합기재에 의해 힌지결합되며, 상기 형상기억합금 와이어의 복원력에 의하여 상기 힌지결합기재를 축으로 소정각도 회전하는 제1 및 제2축과, 상기 제1축 또는 제2축의 일측면에 고정되어, 상기 형상기억합금 와이어의 복원력이 제1축 또는 제2축에 전달될 수 있도록 하는 걸림부재와, 상기 힌지결합기재를 축으로 소정각도 회전한 제1 및 제2축을 원래의 상태로 복원시키는 복원기재를 포함한다. 이와 같은 구성의 본 고안은 여러 단계의 에너지 변환 과정을 직접 확인할 수 있도록 하여 과학 학습의 이해도를 높일 수 있는 효과가 있으며, 소형/저가의 장치에서는 쉽게 찾아볼 수 없는 열에너지를 운동에너지로 변환하는 과정을 소형 및 저가의 장치를 이용하여 직접 확인하여 학습 효과를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

에너지 변환 교육교재{Teaching material for energy conversion}

도 1은 본 고안 에너지 변환 교육교재 일실시예의 사시도이다.

도 2는 도 1의 동작상태 설명도이다.

도 3은 본 고안에 사용된 형상기억합금 와이어의 특성을 보인 설명도이다.

도 4는 본 고안 에너지 변환 교육교재 다른 실시예의 동작 상태 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:제1이동다리 11,21:반호형 발

12:걸림부재 13,23:미끄럼 방지부재

20:제2이동다리 30:힌지결합기재

40:스프링 50:형상기억합금 와이어

60:배터리팩 61:스위치

62:전선

본 고안은 에너지 변환 교육교재에 관한 것으로, 특히 에너지의 다단계의 변화를 직접 눈으로 확인할 수 있는 에너지 변환 교육교재에 관한 것이다.

일반적으로, 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.

이와 같이 에너지의 변환을 학생들이 직접 눈으로 확인할 수 있는 교재는 학생들이 과학에 관심을 가질 수 있도록 유도하는 수단이 되며, 이론적인 설명보다 이해가 빠른 장점이 있다.

그러나 다단계로 변화되는 에너지 변환을 학생들이 체험할 수 있는 예는 많지 않다. 특히 소형, 저가의 과학 교재에서 열에너지를 운동에너지로 변환하는 교재의 예는 찾아보기 어려워 다양한 에너지의 변환을 학생들이 체험할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 고안은 에너지 변환이 다단계로 이루어지며, 특히 학생들이 열에너지가 운동에너지로 변환되는 과정을 직접 체험할 수 있는 에너지 변환 교육교재를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 스위치에 의해 전원 공급과 차단이 제어되는 배터리팩과, 상기 배터리팩의 전원을 공급받아 열을 발생시키며, 발생된 열에 의해 직선 형상으로 복원되는 형상기억합금 와이어와, 일단이 상호 힌지결합기재에 의해 힌지결합되며, 상기 형상기억합금 와이어의 복원력에 의하여 상기 힌지결합기재를 축으로 소정각도 회전하는 제1 및 제2축과, 상기 제1축 또는 제2축의 일측면에 고정되어, 상기 형상기억합금 와이어의 복원력이 제1축 또는 제2축에 전달될 수 있도록 하는 걸림부재와, 상기 힌지결합기재를 축으로 소정각도 회전한 제1 및 제2축을 원래의 상태로 복원시키는 복원기재를 포함한다.

상기와 같이 구성되는 본 고안의 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시예 1>

도 1은 본 고안에 따른 에너지 변환 교육교재의 일실시 사시도이고, 도 2는 그 동작 상태도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 고안에 따른 에너지 변환 교육교재는 상단부가 힌지결합기재(30)에 의해 결합되며, 하단부에 반호형 발(11,21)이 부착된 제1 및 제2이동다리(10,20)와, 상기 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 중앙부를 상호 연결하는 스프링(40)과, 상기 제2이동다리(20)에 양단이 고정되고, 중앙부가 상기 힌지결합기재(30) 너머 제1이동다리(10)의 일측면에 마련된 걸림부재(12)에 걸리도록 위치하는 형상기억합금 와이어(50)와, 상기 반호형 발(11,21)의 저면에 부착된 미끄럼 방지부재(13,23)와, 스위치(61)의 조작에 의해 상기 형상기억합금 와이어(50)에 전원을 공급하는 배터리팩(62)으로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 고안 에너지 변환 교육교재 일실시예의 구성 및 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 형상기억합금 와이어(50)는 소정의 온도 이상에서 원래의 상태로 되돌아가려는 성질이 있는 것으로, 특히 소정온도 이상에서 직선형으로 되돌아가려는 성질이 있는 것을 사용한다.

도 3은 상기 형상기억합금 와이어(50)의 열에 따른 형상의 변화를 나타낸 설명도이다.

이에 도시한 바와 같이 스위치(S1)가 열려 있는 상태에서는 형상기억합금 와이어(50)의 중앙부가 접혀진 상태를 유지하다가, 스위치(S1)가 닫혀 전원이 공급되는 상태에서는 형상기억합금 와이어(50)의 저항에 의해 열이 발생하고, 그 열에 의 하여 형상기억합금 와이어(50)가 원래의 형상인 직선형으로 형상이 변화된다.

상기 형상기억합금 와이어(50)는 단면 면적이 작은 것을 사용하여 저항을 높여 쉽게 발열이 되도록 한다.

상기 형상기억합금 와이어(50)는 약 55℃ 이상에서 직선형의 형상으로 복원되는 성질이 있는 것을 사용한다.

상기 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 상단부는 상호 측면이 접하도록 힌지결합기재(30)에 의해 힌지 결합된다.

상기 제2이동다리(20)의 제1이동다리(10)와 인접하는 측면과, 그 제2이동다리(20)와 인접하는 제1이동다리(10)의 측면은 스프링(40)에 의해 연결된다.

이때의 스프링(40)은 상기 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)가 서로 중첩되는 방향으로 힘이 작용되는 것이다.

상기 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 저면부에는 반호형 발(11,21)이 마련되어 있으며, 그 반호형 발(11,21)은 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)가 운동을 하는 경우에도 쓰러지지 않게 지지하는 역할을 한다.

상기 반호형 발(11,21)의 저면에는 미끄럼 방지부재(13,23)가 부착되어 미끄러짐을 방지한다. 미끄럼 방지부재(13,23)의 예는 부직포나 합성수지재, 천연수지재를 사용할 수 있다.

상기 반호형의 발을 사용하는 것은 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 운동이 상기 힌지결합기재(30)를 축으로 하는 회전운동이기 때문에 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 간격의 변화에도 안정적인 지지가 가능하도록 하기 위한 것이다.

상기 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 재질은 합성수지, 목재, 종이를 사용할 수 있으며, 가급적 가볍고 열에 강한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 상태에서 배터리팩(60)의 전원이 스위치(61)의 선택에 의해 전선(62)을 통해 상기 형상기억합금 와이어(50)에 공급되면, 그 형상기억합금 와이어(50)에 전류가 흐르게 되고, 형상기억합금 와이어(50) 자체의 저항에 의해 열이 발생된다.

이때, 배터리팩(60)에는 형상기억합금 와이어(50)의 과열을 방지하는 저항 등의 방지 수단이 마련될 수 있다.

상기 열의 발생에 의하여 형상기억합금 와이어(50)는 직선형으로 변화되며, 걸림부재(12)에 힘이 작용하여 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)가 힌지결합기재(30)를 축으로 소정 각도 회전한다.

상기 걸림부재(12)는 제1이동다리(10)의 일면에서 돌출된 고리형상의 부재일 수 있으며, 기타 제1이동다리(10)에 형상기억합금 와이어(50)를 부착하는 테이핑 수단일 수 있다.

이와 같은 상태에서 상기 스위치(61)를 조작하여 전원의 공급을 차단하면, 상기 형상기억합금 와이어(50)의 온도는 낮아지며, 그 수축되는 힘이 스프링(40)의 복원력 이하가 되는 시점에서 상기 힌지결합기재(30)를 축으로 제1 및 제2이동다리(10,20)가 중첩되는 방향으로 회전하게 된다.

상기와 같은 작용에 의하여 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 사이 간격은 벌어지고, 다시 복원되는 상태를 반복할 수 있다.

이는 제1이동다리(10)와 제2이동다리(20)의 운동에 의해 보행을 하게 된다.

이와 같이 본 고안은 배터리팩(60)의 전기에너지를 형상기억합금 와이어(50)를 통해 열에너지로 변환하고, 그 형상기억합금 와이어(50)에서 발생된 에너지를 형상기억합금 와이어(50)의 복원력으로 변환하며, 다시 형상기억합금 와이어(50)의 복원력을 제1 및 제2이동다리(10,20)의 운동에너지로 변환하는 과정을 쉽게 확인할 수 있도록 한다.

<실시예 2>

도 4는 본 고안에 따른 에너지 변환 교육교재의 다른 실시 구성도이다.

이를 참조하면, 본 고안에 따른 에너지 변환 교육교재의 다른 실시예는 배터리가 내장되며, 지면으로부터 수직방향으로 안정되게 지지되어 있는 배터리팩(160) 과, 상기 배터리팩(160)의 전원을 전선을 통해 공급하는 것을 제어하는 스위치(161)와, 상기 배터리팩(160)의 일측면 상부측에 고정되어, 수평한 방향으로 돌출되어 있는 지지축(110)과, 상기 지지축(110)의 끝단에 힌지결합기재(130)에 의해 힌지 결합되며, 그 끝단에 무게추(170)를 고정할 수 있는 고정고리(121)을 구비하는 회전축(120)과, 양단에 상기 배터리팩(160)의 전원을 공급받으며, 중앙부의 절곡된 부분이 상기 회전축(120)의 걸림부재(122)에 걸려, 전원공급에 따라 열을 발생시키며, 그 발생된 열에 의해 직선형태로 형상이 변화되는 형상기억합금 와이어(150)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 고안의 다른 실시예의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 실시예1의 제1이동다리(10) 및 제2이동다리(20)와 같이 지지축(110)과 회전축(130)이 힌지결합기재(130)에 의해 힌지결합되어 있으며, 양단에 전선(162)이 각각 연결된 형상기억합금 와이어(150)가 상기 지지축(110)과 회전축(130)의 상면에 위치하며, 그 형상기억합금 와이어(150)의 중앙절곡부가 걸림부재(122)에 걸려 위치한다.

상기 형상기억합금 와이어(150)는 55℃ 이상에서 직선형으로 형상이 복원되는 특징이 있는 것이며, 따라서 스위치(161) 조작에 의하여 전선(162)을 통해 전원이 공급되며, 상기 형상기억합금 와이어(150)에 전류가 흐르면서 그 형상기억합금 와이어(150)에서 열이 발생한다.

이때 형상기억합금 와이어(150)에서 발생되는 열에 의하여 형상기억합금 와이어(150)가 직선형으로 복원되며, 이는 걸림부재(122)에 당기는 힘으로 작용한다.

상기 걸림부재(122)에 작용되는 힘은 지지축(110)에 힌지결합기재(30)에 의해 힌지 결합된 회전축(120)을 회전시키며, 회전축(120)이 회전하여 무게추(170)를 들어올리는 작용을 하게 된다.

이때, 상기 스위치(161)를 조작하여 전원공급을 차단하면, 상기 형상기억합금 와이어(150)가 식으면서 다시 절곡된 형상으로 변화되어, 상기 회전축(120)이 다시 중력에 의해 원위치로 회전한다.

상기 무게추(170)는 시각적인 효과와 아울러 적당한 범위에서 회전축(120)를 제자리로 원위치 시키는 역할을 한다.

즉, 본 고안의 <실시예 2>는 학생들에게 전기에너지를 열에너지로 변환하고, 그 열에너지를 형상기억합금 와이어(50)의 복원력으로 변화시키고, 다시 그 복원력을 회전축(120)의 운동에너지로 변화시키는 과정을 직접 시각적으로 확인 시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 실시예1에서는 운동의 복원을 위해 스프링(40)을 사용하고, 실시예2는 운동의 복원을 중력을 이용하고 있어, 학생들이 물리적인 힘의 작용과 그 역 으로의 작용을 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

이상에서는 본 고안을 특정의 바람직한 실시 예들을 들어 도시하고 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시 예들에 한정되지 않으며 본 고안의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 고안은 여러 단계의 에너지 변환 과정을 직접 확인할 수 있도록 하여 과학 학습의 이해도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 소형, 저가의 장치에서는 쉽게 찾아볼 수 없는 열에너지를 운동에너지로 변환하는 과정을 소형 및 저가의 장치를 이용하여 직접 확인하여 학습 효과를 높일 수 있는 효과가 있다.

그리고 형상기억합금 와이어의 당기는 힘을 회전운동으로 변환하는 것을 학생들이 육안으로 확인할 수 있도록 하여, 물리적인 힘의 전달과 그 힘의 방향 전환을 확인할 수 있으며, 그 물리적인 힘에 의해 이동된 물체를 다시 복원시키는데 작용하는 힘을 직접 확인할 수 있어 학습효과를 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

스위치에 의해 전원 공급과 차단이 제어되는 배터리팩;

상기 배터리팩의 전원을 공급받아 열을 발생시키며, 발생된 열에 의해 직선 형상으로 복원되는 형상기억합금 와이어;

일단이 상호 힌지결합기재에 의해 힌지결합되며, 상기 형상기억합금 와이어의 복원력에 의하여 상기 힌지결합기재를 축으로 소정각도 회전하는 제1 및 제2축;

상기 제1축 또는 제2축의 일측면에 고정되어, 상기 형상기억합금 와이어의 복원력이 제1축 또는 제2축에 전달될 수 있도록 하는 걸림부재; 및

상기 힌지결합기재를 축으로 소정각도 회전한 제1 및 제2축을 원래의 상태로 복원시키는 복원기재를 포함하는 에너지 변환 교육교재.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2축은 각각의 상단이 상기 힌지결합기재에 의해 결합되며, 하단에 반호형 발을 구비하는 이동다리이며, 상기 복원기재는 제1 및 제2축의 중앙부를 연결하는 스프링인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 교육교재.
제2항에 있어서,

상기 반호형 발의 저면에 부착된 미끄럼 방지 부재를 더 포함하는 에너지 변환 교육교재.
제1항에 있어서,

상기 제1축은 일단이 고정된 상태로 수평 연장된 지지축이며,

상기 제2축은 그 지지축의 타단에 일단이 상기 힌지결합기재에 의해 결합되어 상기 제1축에 대하여 수직으로 위치하는 회전축이고,

상기 복원기재는 제2축의 타단에 체결된 무게추인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 교육교재.