KR20060038168A - 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명은 유압과 공압의 유체에너지를 동력원으로 하여 유압실린더 를 작동시켜 전력을 안정적으로 생산할 수 있도록 한 공/유압을 이용한 발전기 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유압원(原)에서 유압회로에 따라 유압실린더로 유동하는 작동유의 유입량과 압력이, 공/유압 증압기와, 유압 증압기와, 유압실린더와, 상기 유압실린더에 관련된 공/유압 회로 및 제어밸브에 의해 동시에 제어되면서 동력전달부에 의하여 동력이 전달되는 유체에너지를 이용한 발전기의 구동장치에 관한 것이다.

상기의 발전기 구동장치에 의하면, 공/유압을 이용하여 발전기를 가동함으로써, 자연환경을 이용한 발전방식의 모든 환경적인 제한을 극복하고, 필요한 곳이면 어디라도 설치하여 전력을 안정적으로 생산하여 공급할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

유압, 공압, 증압기, 실린더, 피스톤, 크랭크 축, 동력전달부, 작동유

Description

유체에너지를 이용한 발전기 구동장치{Torque Apparatus for Generation of Electricity using Hydraulic and Pneumatic Pressure}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공/유압기기와 동력전달부의 구성 및 발전기의 연동을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2a는 도 1의 유압실린더와 크랭크축 간의 동력전달부에 대한 분해 사시도이다.

도 2b는 도 1의 유압실린더와 크랭크축 간의 동력전달부의 결합 사시도이다.

도 3은 도 1의 동력전달부 및 발전기를 도시한 사시도이다.

도 4는 도 1의 동력전달부에 있어 4개의 피스톤이 결합된 작동예를 도시한 정면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 공/유압 증압기 101, 102, 103 : 유압제어밸브

110 : 작동유 탱크 S : 1차 작동유

SS : 2차 작동유 109a, 201a : 램

111, 112 : 체크밸브 116 : 압력밸브

121, 122 : 공압제어밸브 125 : 릴리프 밸브

200 : 유압 증압기 300 : 유압 실린더

310, 310a, 310b, 310c, 310d : 피스톤

400 : 동력전달부 410 : 피스톤 핀

420, 420a, 420b, 420c, 420d : 커넥팅 로드

430, 442 : 크랭크 핀 440, 452 : 크랭크 축

444 : 크랭크 암 446 : 평형추

448 : 오일통로 450 : 베어링 캡

454 : 메인저널 460 : 볼트

470 : 발전기 500 : 공기압 발생원

본 발명은 발전기 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체에너지인 공압 또는 유압을 그 동력원으로서 유압 작동기를 작동시켜 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치에 관한 것이다.

자연환경을 이용하여 에너지를 얻는 일반적인 방법에는 수위차(水位差)를 이용하는 수력발전과, 바람을 이용한 풍력발전과, 태양에너지를 이용한 태양열발전 등의 여러가지 방법이 있다.

상기의 발전방식에 있어서, 수력발전의 경우에는 댐을 건설하여 풍족한 유량(流量)을 확보하여야 한다는 문제가 있을 뿐 아니라, 낙하된 후의 물을 재사용하기 어렵고, 갈수기 및 결빙기에는 유수량이 적어 전력생산에 차질이 생기는 문제 점이 있어 왔다.

또한, 풍력발전이나 태양열을 이용한 발전도 수시로 변하는 자연현상 및 기상의 변화에 영향을 크게 받게 되고, 설치장소의 지형적 제한에 따른 문제가 있으며, 원자력 발전과 화력발전은 환경오염 물질을 배출하는 등 많은 문제가 있어 왔다.

또한, 내연기관을 이용한 발전방식은 우리나라의 경우 원유를 전량 수입하여야 하고, 원유의 매장량이 유한한 한계가 있어, 이를 대체할 수 있는 대체에너지 개발이 시급한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 창출된 것으로서, 유체에너지인 유압과 공압을 이용하여 기계적 에너지로 전환되는 크랭크의 회전력(torque)으로 전력을 발생시키는 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 수력발전, 풍력발전 또는 태양열발전에서 지형적 제한과 자연현상의 변화를 극복하여 필요한 장소에 언제든지 설치하여 전천후로 전력을 공급할 수 있도록 한 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 전력 발생용 내연기관을 이용한 발전방식에서, 내연기관을 공/유압기기로 대치하여 원유의 소비량을 절감하고, 따라서 에너지 절감이 되는 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상대적으로 저압인 공압 유체에너지의 인입작용으로 작동유의 소정량을 설정된 압력의 고압유로 생성하여 토출하는 하나 이상의 공/유압 증압기와, 상기 공/유압 증압기에서 생성된 고압유 유체에너지를 전달받아, 부하(load) 측에서 요구하는 소정량의 작동유를 요구압력으로 고압행정하여 유압실린더 쪽으로 토출하는 하나 이상의 유압 증압기와, 상기 유압 증압기에서 토출된 고압유 유체에너지를 전달받아 기계적 에너지로 전환하여 왕복 직선운동하는 하나 이상의 유압실린더와, 상기 유압실린더의 왕복 직선운동을 회전운동으로 전환하고 상기 유압실린더의 피스톤 로드에 연결되어 알터레이터(alterator) 등의 교류발전기 또는 직류발전기를 구동시키는 동력전달부를 구비한다.

이때 상기 동력전달부는, 상기 유압실린더 안에 왕복 직선운동하는 피스톤과, 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 커넥팅 로드(connecting rod)와, 유압실린더 수 만큼 수용하고 회전 출력을 발전기로 연동시키며 반대로 다른 행정의 피스톤 운동은 후진하는 피스톤에 가해 연속 동력을 발생시키는 크랭크 축(crank shaft)과, 상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드 간 연결용인 피스톤 핀과, 상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크 축 간 결합용인 크랭크 핀을 구비하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명에 따른 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공/유압기기 및 동력전달부의 구성을 개략 적으로 도시한 전체 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 공/유압을 이용한 발전기 구동장치는, 상대적으로 저압인 공압 유체에너지에 의하여 작동유(S)의 소정량을 설정된 압력의 고압유로 생성하여 토출하는 하나 이상의 공/유압 증압기(100)와, 상기 공/유압 증압기(100)에서 생성된 고압유 유체에너지를 전달받아 부하 측에서 요구하는 소정량의 작동유(S)를 요구압력으로 고압행정하여 유압 실린더(300) 쪽으로 토출하는 하나 이상의 유압 증압기(200)와, 상기 유압 증압기(200)에서 토출된 고압유 유체에너지를 전달받아 기계적 에너지로 전환하여 왕복 직선운동을 하는 하나 이상의 유압 실린더(300)와, 상기 유압 실린더(300)의 왕복 직선운동을 회전운동으로 전환하고 발전기(470)로 연동하는 동력전달부(400)를 구비한다.

상기 구조의 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치는, 상기 작동유 탱크(110)로부터 나오는 유압 1차 작동유(S)가 상기 공/유압 증압기(100)를 거치며 증압된 후, 상기 유압 증압기(200)의 1차 홀(202)에서 1차 작동유(S)가 피스톤(201)을 가압하면 상기 피스톤(201)은 2차 홀(203)의 2차 작동유(SS)를 가압하게 되고, 상기 유압 증압기(200)의 가압된 2차 작동유(SS)가 상기 유압 실린더(300)로 유입된다.

또한, 상기 작동유 탱크(110)는 상기 공/유압 증압기(100) 및 유압 증압기(200)와 연결되어 체크밸브(check valve, 111)와 각각의 유압제어밸브(101, 102, 103)에 의하여 상기 유압 실린더(300)에 유압을 가하거나 빼주어 상기 유압 실린더(300)의 피스톤(310)이 왕복운동을 하도록 구성된다.

따라서, 상기 유압실린더(300)로 유입된 2차 작동유(SS)는 피스톤(310)의 왕복운동을 발생시키고, 상기 동력전달부(400)의 작동에 의해 회전운동으로 바뀌며, 발전기(470)를 구동하는 것이다.

이때, 상기 공/유압 증압기(100)의 일측에는 공기압 발생원(500)이 연결되어 공기압을 가하고, 이를 제어하는 공압제어밸브(121)가 구비됨으로써, 상기 공/유압 증압기(100)의 구동을 제어하게 된다.

즉, 상기 발전기 구동장치의 구동을 위하여 작동유(S)의 유입량과 압력은 공/유압 증압기(100)와, 유압 증압기(200)와, 유압 실린더(300)를 연결하는 공/유압회로 및 제어밸브(101, 102, 103, 111, 112, 121, 122)에 의해 동시에 제어되면서 동력전달부(400)에 의하여 발전기(470)를 구동하는 것이다.

상기 공/유압 증압기(100)의 작동 메커니즘을 살펴보면, 상기 공기압 발생원(500)에서 공기압 P1으로 상기 공/유압 증압기(100)의 포트 A로 가압할 경우, 포트 B로 배기되면서 피스톤(109)이 유압 증압기(200) 측으로 전진하여, 이미 포트 S1에서 흡입된 작동유(S)를 증압기의 배율로 증압하면서, 포트 S2와 역류방지기인 체크밸브(112)를 통하여 상기 유압 증압기(200)에 주입된다.

반대로 압축공기가 공압제어밸브(121, 122)에 의해 절환되어 상기 공/유압 증압기(100)의 포트 B로 가압되고, 포트 A로 배기되면, 상기 공/유압 증압기(100)는 후진하면서 유압실이 진공상태가 되어, 상기 작동유 탱크(110)의 작동유(S)는 상기 체크밸브(111)와 상기 공/유압 증압기(100)의 포트 S1을 통하여 유압실에 흡입된다.

상기와 같은 작동 사이클이 반복되면서 상기 작동유 탱크(110)의 저압유는 증압기 배율대로 고압유(P2)가 되어 상기 유압 증압기(200)로 유입된다.

이때, 상기 공/유압 증압기(100)에서 생성되어 토출되는 유압 P2는 공압 실린더의 피스톤(109)에 가해지는 공기압(P1)과 단면적(A1)과, 램(109a, 201a)의 단면적(A2)으로 정해지며, 이것이 파스칼의 원리인 다음 식으로 구해진다.

출력되는 유압 압력(P2) = A1 / A2 × P1

증압기의 배율(N) = A1 / A2

상기 수학식에서 각 부호는 다음과 같다.

P2 : 발생하는 유압 (kg/㎠)

P1 : 공압 실린더에 가해지는 압력 (kg/㎠)

A1 : 공압 실린더 피스톤의 단면적 (㎠)

A2 : 램의 단면적 (㎠)

따라서, 상기 공기압 발생원(500)의 입력 압력에너지는 1/N(증압기 배율) × 출력 압력에너지가 되며, 본 증압기의 에너지 효율이 N배가 된다는 의미이다.

또한, 상기 공/유압 증압기(100)에서 토출된 고압의 작동유(S)는 유압제어밸브(101)와 상기 체크밸브(112)를 통하여 상기 유압 증압기(200)의 1차 홀(202)에 주입되면서 피스톤(201)을 가압하면, 상기 유압 실린더(300) 측으로 피스톤(201)이 전진 하강하면서, 상기 유압 증압기(200)의 피스톤(201) 하부로부터 2차 홀(203)을 거쳐 상기 유압 실린더(300)의 피스톤(310) 상부에 이르는 공간에 채워져 있는 2차 작동유(SS)가 증압기 배율대로 2차 증압된다.

상기 2차 증압의 과정에서 출력되는 2차 작동유(SS)의 출력 유압은 상기 수학식 1에 의하여 입력압력(P1) × 증압기 배율(N)이 되는 고압의 2차 작동유(SS)가 생성되고, 미리 설정된 압력에 도달되면 작동하는 압력밸브(116)와 유압제어밸브(102)를 경유하여 유압 실린더(300)로 유입되는 것이다.

상기 유압 증압기(200)에서 토출된 2차 작동유(SS)의 유체에너지는 상기 유압실린더(300)에 유입되면서 피스톤(310)이 왕복 직선운동하는 기계적 운동에너지로 전환된다.

이때, 상기 유압 실린더(300) 내의 피스톤(310)에 의해 출력되는 기계적 에너지(kW)는, 마찰손실을 무시할 경우, 상기 유압 증압기(200)의 출력에너지(kW)와 같다.

상기 작동 후에 연속적으로 이루어지는 복귀작동은 먼저 공압제어밸브(121, 122)가 절환되어 압력공기가 역순으로 가압하고, 동시에 유압제어밸브(101, 102, 103)도 절환되어 저압유에 대한 귀환유로가 형성되어 상기 작동유 탱크(110)로 귀환된다.

또한, 상기 유압 실린더(300) 및 피스톤(310)은 복수 개로 구비되어 상기 동력전달부(400)와 결합될 수 있으며, 도 3은 상기 유압실린더(300) 및 피스톤(310) 4개가 하나의 크랭크 축(440)에 결합되어 있는 것을 보인 정면도이다.

이때, 서로 다른 행정의 피스톤(310)에 의한 크랭크 축(440)의 운동으로, 상 기 유압 실린더(300)의 피스톤(310)은 후진 상승하면서 유압 실린더(300) 홀의 2차 작동유(SS)를 상기 유압증압기(200) 2차 홀(203)로 밀어 채우면서, 체크밸브(112)는 막히고 유압제어밸브(103)가 절환되어 상기 유압 증압기(200) 및 그 내부의 피스톤(201)이 위로 밀려 올라감에 따라 1차 홀(202)의 1차 작동유(S)는 유압제어밸브(103)를 통해 작동유 탱크(110)로 귀환된다.

미설명된 도면부호 125번은 릴리프 밸브(relief valve)이며, 420은 커넥팅 로드(connecting rod)이며, 410은 피스톤(310)과 커넥팅로드(420)를 연결하여 동력을 전달하는 피스톤 핀이다.

상기의 과정에 의하여 상기 유압 실린더(300)의 피스톤(310)은 직선 왕복운동을 하게 되는 것이다.

도 2a는 도 1에 도시된 발전기 구동장치의 동력전달부를 도시한 분해사시도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 상기 동력전달부의 조립된 모습을 도시한 사시도이다.

도면을 참조하면, 상기 동력전달부(400)는, 유압 실린더(300) 안에 왕복 직선운동하는 피스톤(310)과, 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 커넥팅 로드(420)와, 유압 실린더(300)의 수만큼 수용하고 회전(torque)출력을 발전기(470)로 연동시키며 반대로 다른 행정의 피스톤 운동은 후진하는 피스톤(310)에 가해 연속 동력을 발생시키는 크랭크 축(crank shaft, 440)과, 상기 피스톤(310)과 상기 커넥팅 로드(420)간 연결용인 피스톤 핀(410)과, 상기 커넥팅 로드(420)와 상기 크랭크 축(440) 간 결합용인 크랭크 핀(430)을 구비한다.

상기 동력전달부(400)는 피스톤의 왕복운동 등의 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 곳에 널리 사용되는 것으로, 일반적으로 크랭크 축·크랭크 암(crank arm)·크랭크 핀(crank pin)으로 구성되며, 상기 피스톤(310)의 왕복운동은 커넥팅 로드(420)로 크랭크 핀(430)에 전해지고, 상기 크랭크 핀(430)은 원운동을 하여 크랭크 축(440)을 회전시킴으로써, 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 것이다.

미설명된 부호 450은 베어링 캡이고, 460은 상기 베어링 캡을 체결하는 체결수단으로서의 볼트를 도시한 것이다.

도 3은 동력전달부 및 발전기가 결합되는 모습을 도시한 사시도이다.

도면을 참조하면, 상기 발전기(470)는 알터레이터로서 교류발전기이며, 이의 동작에 따라 원하는 전력을 발생시키게 된다.

상기 알터레이터 대신 직류발전기가 결합될 수도 있음은 물론이다.

도 4은 본 발명에 따른 동력전달부(400)가 4개의 피스톤 및 크랭크를 갖는 구조를 도시한 정면도이다.

도면을 참조하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 피스톤(310a, 310b, 310c, 310d) 및 크랭크 축(440, 도 2a 및 도 2b 참조)이 각각 4개가 하나의 발전기 장착부인 크랭크 축(452)에 결합되어 상기 4개의 피스톤(310a, 310b, 310c, 310d) 및 커넥팅로드(420a, 420b, 420c, 420d)가 서로 연동하여 작동함으로써, 상기 크랭크축(452)이 힘있게 회전할 수 있도록 한다.

즉, 상기 피스톤(310a, 310b, 310c, 310d)의 운동을 위해 상기 각 피스톤(310a, 310b, 310c, 310d)에 가해지는 유압을 조절하여, 상기 두 개의 피스 톤(310b, 310c) 및 커넥팅 로드(420b, 420c)는 위로 올라가는 것과 동시에 다른 두 개의 피스톤(310a, 310d) 및 커넥팅 로드(420a, 420d)는 아래로 내려와 서로 연동하며 크랭크축(452)을 회전시키는 것이다.

이때, 상기 각각의 피스톤(310a, 310b, 310c, 310d)이 연동하며 상기 커넥팅 로드(420b, 420c)를 운동시킬 때에 이를 조절하기 위한 컨트롤부(미도시)가 구비된다.

미설명된 444는 크랭크 암(crank arm)이고, 446은 평형추(balance weight)이며, 448은 오일통로, 454는 메인저널이다.

이러한 구조의 크랭크축(452)에는 요구되는 발전량 및 조건에 따라 두 대의 피스톤이 결합될 수도 있고, 4개 또는 6개의 피스톤이 결합될 수도 있음은 물론이다.

상기 본 발명에 따른 하나 이상의 공/유압 증압기와, 하나 이상의 유압 증압기와, 하나 이상의 유압실린더와, 발전기를 구동시키기 위한 동력전달부를 구비하는 발전기 구동장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 유체에너지인 공/유압을 이용하여 발전기를 가동함으로써, 자연환경을 이용한 발전방식의 모든 환경적인 제한을 극복하고, 필요한 곳이면 어디라도 설치하여 전력을 안정적으로 생산하여 공급할 수 있게 해 준다.

둘째, 종래의 원자력 발전이나 화력발전 방식에서는 환경오염물질이 배출되는 문제가 있었으나, 유체에너지인 공/유압을 이용함으로써 환경공해 방지에 유리 한 효과를 제공한다.

셋째, 종래의 발전방식에 의한 전력생산은 송전손실과 송전탑 건설로 자연훼손이 불가피하게 되지만, 본 발명에 따르면 전력이 필요한 곳에 발전기를 설치함으로써 원거리에 송전이 필요없게 되어 송전손실이 거의 없고, 자연훼손을 획기적으로 줄일 수 있다.

넷째, 유체에너지인 공/유압과 중력을 이용함으로써 전력을 생산하므로, 종래 발전방식과는 달리 경제적이며, 공기를 오염시키지 않는 등 환경친화적이다.

Claims (3)

1. 상대적으로 저압인 공압 유체에너지의 인입작용으로 작동유의 소정량을 설정된 압력의 고압유로 생성하여 토출하는 하나 이상의 공/유압 증압기와;

   상기 공/유압 증압기에서 생성된 고압유 유체에너지를 전달받아, 부하(load) 측에서 요구하는 소정량의 1차 작동유를 요구압력으로 고압행정하여 2차 작동유로 만들어 유압실린더 쪽으로 토출하는 하나 이상의 유압 증압기와;

   상기 유압 증압기에서 토출된 2차 작동유의 유체에너지를 전달받아, 기계적 에너지로 전환하여 왕복 직선운동하는 하나 이상의 유압실린더와;

   상기 유압실린더의 왕복 직선운동을 회전운동으로 전환하고, 상기 유압실린더의 피스톤 로드에 연결되어 발전기를 구동시키기 위한 동력전달부를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 동력전달부는,

   상기 유압실린더 내부를 왕복 직선운동하는 피스톤과;

   상기 피스톤의 일단과 결합되어 피스톤의 동력을 크랭크 축의 회전운동으로 변환하기 위한 커넥팅 로드(connecting rod)와;

   회전(torque) 출력을 발전기로 연동시키며, 반대로 다른 행정의 피스톤 운동은 후진하는 피스톤에 가해 연속 동력을 발생시키는 크랭크 축(crank shaft)과;

   상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드의 체결을 위한 피스톤 핀과;

   상기 커넥팅 로드와 상기 크랭크 축을 서로 체결하기 위한 크랭크 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 유압실린더 및 이에 결합되는 동력전달부는 4개로 이루어져 하나의 크랭크 축에 결합되는 것을 특징으로 하는 유체에너지를 이용한 발전기 구동장치.

Images