KR20060059163A

KR20060059163A - 변속 장치를 사용한 엘리베이터

Info

Publication number: KR20060059163A
Application number: KR1020050070849A
Authority: KR
Inventors: 장순길
Original assignee: 장순길
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2006-06-01
Also published as: CN101044085A; JP2008521726A; US20090014250A1; MX2007006288A

Abstract

본 발명은 엘리베이터의 케이지와 평형추 사이에 변속 장치를 사용하여 연결함으로써 소비 전력을 절감하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 평형추는 단순히 케이지의 무게에 평형을 맞추기 위하여 고정된 무게로 평형추 역할을 하는 것이 아니다. 승객의 탑승에 의한 하중 증감에 따라 평형추가 케이지에 작용하는 힘을 조절할 수 있도록 케이지와 평형추를 각각 별도의 권양기에 연결하고, 두 권양기 사이에 변속 장치를 사용하여 서로 연결한다. 그리고 변속 장치의 기어 변속을 조정함으로써 케이지와 승객의 합한 무게와 평형추가 항상 최상의 평형을 유지하게 한다. 평형추와 무게 평형을 이룬 케이지를 운행하는 것은 적은 힘을 필요로 하여 운행에 필요한 전력의 소비를 절감할 수 있게 한다.

본 발명을 적용한 엘리베이터는 많은 전력을 절약할 수 있어 엘리베이터의 운용 경비를 절감할 수 있도록 해준다.

Description

변속 장치를 사용한 엘리베이터 {Elevator using a transmission gear}

도 1은 종래의 엘리베이터에서 케이지와 평형추의 관계를 보여 준다.

도 2는 케이지와 평형추가 와이어 로프를 통해 각각 별도의 권양기에 연결되어 있다. 케이지가 연결된 권양기를 케이지 권양기, 평형추가 연결된 권양기를 평형추 권양기라고 부르기로 한다. 두 권양기의 축이 전자 제어 변속기의 두 축에 각각 연결되고, 두 축 위에 있는 한 쌍의 고정 기어와 슬라이딩 기어가 접속된 모양을 보여 주고 있다.

도 3은 도 2의 구성을 조금 더 구체화 한 것으로 두 권양기의 축이 각각 전자 제어 변속기에 연결되고, 엘리베이터의 전자 제어장치와 여러 스위치와 센스가 연결된 모습을 보여 준다.

도 4는 도 3의 전자 제어 변속기를 조금 더 구체화하여 전자 제어 변속기의 한 축에 여러 개의 슬라이딩 기어와 브레이크가 있고 다른 축에는 여러 개의 고정기어와 브레이크가 있는 모양을 보여 주고 있다.

도 5는 도 4에서 보인 평형추를 두 개 사용하는 엘리베이터를 보여 주고 있다. 도 4에 보였던 전자 제어 변속기의 한 축에 있던 브레이크는 없어졌다. 평형추 권양기는 전자 제어 클러치를 사용하여 전자 제어 변속기에 연결된다. 전자 제어 클러치는 고정 기어, 슬라이딩 기어 및 브레이크로 구성 되어 있다.

도 6은 케이지와 평형추의 바닥에 와이어 로프를 연결하여 와이어 로프가 빌딩의 밑바닥까지 닿을 수 있도록 한 것을 보여 주고 있다. 엘리베이터가 높은 빌딩에서 운행할 경우 권양기부터 케이지까지 또는 권양기부터 평형추까지 거리의 변경의 폭이 커서, 권양기에 매달린 와이어 로프 자체의 무게 변화를 무시할 수 없게 된다. 권양기에 실리는 와이어 로프 무게에 변화가 없도록 하기 위하여 이러한 와이어 로프를 설치한다.

도 7은 도 6의 평형추와 평형추 권양기를 체인 또는 무거운 막대를 엮은 발로 대체한 엘리베이터의 구조를 보여 주고 있다. 이러한 체인 또는 발을 빌딩의 꼭대기부터 빌딩의 밑바닥까지 항상 늘어뜨리고 있으면, 늘어뜨리고 있는 구간의 무게로써 평형추와 같은 역할을 할 수 있다. 빌딩의 꼭대기와 빌딩의 밑바닥 가까이에 상자를 두어 체인 또는 발을 쌓아 둔다. 각각의 상자를 상부 상자, 하부 상자라고 부르기로 한다. 체인 또는 발의 전체 길이를 필요한 만큼 길게 조정함으로써 여러개의 평형추를 사용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

도 8은 도 7에 있는 체인을 만들 때 고리 하나하나를 굵게 만든 것을 보여주고 있다. 고리 하나하나의 굵기를 조정하여 단위 길이당 무게를 원하는 대로 조정할 수 있다.

도 9은 도 7에 있는 발을 만들 때 무거운 막대를 가지런히 놓고 양쪽에 롤러 체인을 달아 체인톱니바퀴를 이용하여 움직일 수 있도록 한 것을 보여 주고 있다.

도 10은 도 7에 있는 발을 옆에서 본 모양.

도 11는 도 7에 있는 발을 위에서 본 모양.

도 12은 도 7에 있는 발을 움직이기 위해 사용할 체인톱니바퀴가 두 개 설치 된 체인톱니바퀴 축.

도 13은 회전펌프의 하나인 기어펌프를 그린 것이다. 높은 압력에서 사용할 수 있으며 기어를 회전시키면 회전수에 따라 액체가 일정량 흘러가게 된다. 반대로 액체가 기어펌프에 압력을 작용하면 기어가 회전력을 받으며 액체의 흐르는 양에 따라 기어가 일정하게 회전하게 된다. 따라서 이러한 장치는 유압펌프와 유압모터의 역할을 동시에 할 수 있으며, 용도에 따라서 기어펌프, 기어모터로 불린다.

도 14는 회전펌프의 하나인 베인펌프를 그린 것이다. 도 13에 대한 간단한 설명에서 설명한 기어펌프와 같은 기능을 가지고 있다. 이러한 장치도 유압펌프와 유압모터의 역할을 동시에 할 수 있으며, 용도에 따라서 베인펌프, 베인모터로 불린다.

도 15는 도 6의 평형추와 평형추 권양기를 유압모터와 액체를 사용하는 장치로 대체한 엘리베이터 구조를 보여 주고 있다. 유압모터 축의 한 끝에 베벨기어를 연결하고, 이 베벨기어를 케이지와 연결된 전자 제어 변속기의 다른 한 축에 연결된 베벨기어에 맞물려 접속하는 것을 그린 것이다.

도 16은 종래의 엘리베이터에 유압모터와 액체를 추가하여 사용하는 것으로, 두 장치의 기능을 동시에 활용하는 방식이다.

도 17은 버킷컨베이어에 사용할 버킷의 모양이다. 사각형의 양쪽으로 회전 중심의 자리에 핀이 나와 있다. 또, 버킷에 담긴 액체를 쏟기 위해 버킷을 돌려야 하는데, 버킷에는 두 개의 돌기가 붙어 있어서 돌기가 걸판에 걸려 버킷을 돌릴 수 있도록 한다.

도 18은 버킷에 있는 돌기를 걸어 버킷을 돌리는 판인 걸판을 그린 것이다.

도 19는 버킷이 롤러체인에 연결된 버킷컨베이어의 구조를 보여 주고 있다.

도 20은 상부 액체 상자와 하부 액체 상자 사이에 버킷컨베이어가 설치되어 있는 모습을 보여 주고 있다. 체인톱니바퀴의 회전방향에 따라 액체가 위로 또는 아래로 이동한다.

도 21은 액화기체 상자의 증기압을 이용하여 고압 액체 상자 내부의 액체의 높은 압력을 일정하게 유지하고 이것을 재활용하는 장치를 그린 것이다.

도 22는 도 21의 장치에 있는 유압모터의 축에 전자 제어 변속기를 연결하고, 전자 제어 변속기의 한 축을 종래의 엘리베이터의 권양기에 연결하여 도 21의 장치를 사용하는 모습을 간략히 보여 주고 있다.

도 23은 종래의 엘리베이터에서 도 21의 장치를 사용하는 다른 방법으로, 종래의 평형풀리를 변경하여 평형풀리에 평형풀리 축을 연결하고, 평형풀리 축에 전자 제어 변속기를 연결한 다음, 전자 제어 변속기의 한 축에 도 21의 유압모터를 연결하여 도 21의 장치를 사용하고 있는 모습을 보여 주고 있다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1, 11, 31: 케이지

2, 12, 35, 89, 99: 평형추

3: 도르래

4, 13, 14, 47, 49: 와이어 로프

5, 23: 케이지 권양기

6, 25, 88, 98: 평형추 권양기

7: 케이지 권양기의 축에 연결된 기어

8: 평형추 권양기의 축에 연결된 기어

21, 22: 전자 제어 변속기

27: 전동기

29, 30: 전자 제어장치

32: 케이지 위치센서

33: 케이지 실내 스위치

34: 중량 센서

37: 평형추 위치센서

39: 층별 스위치

41: 층별 스위치 연결선

43: 케이지 실내 스위치 연결선

45: 평형추 위치센서 연결선

51: 전동기 제어 연결선

53, 54: 전자 제어 변속기 연결선

55: 전동기 전원선

57: 전자 제어장치 전원선

61, 85: 현재 맞물려 접속되어 있는 상태의 슬라이딩 기어

63, 95: 현재 맞물려 접속되어 있지 않는 상태의 슬라이딩 기어

65, 87: 현재 맞물려 접속되어 있는 상태의 고정 기어

67, 97: 현재 맞물려 접속되어 있지 않는 상태의 고정 기어

71: 케이지 권양기 축을 정지시키는 브레이크

73, 83, 93: 평형추 권양기 축을 정지시키는 브레이크

80, 90: 전자 제어 클러치 연결선

81, 91: 전자 제어 클러치

100: 빌딩의 밑바닥

101: 케이지 권양기부터 빌딩의 밑바닥까지의 거리

121: 케이지 권양기부터 케이지까지 와이어 로프의 길이

122: 케이지부터 빌딩의 밑바닥까지 와이어 로프의 길이

123: 평형추 권양기부터 평형추까지 와이어 로프의 길이

124: 평형추부터 빌딩의 밑바닥까지 와이어 로프의 길이

125: 케이지의 바닥부터 빌딩의 밑바닥까지 닿도록 연결한 와이어 로프

126: 평형추의 바닥부터 빌딩의 밑바닥까지 닿도록 연결한 와이어 로프

127, 128: 케이지 또는 평형추의 위치에 따라 다르게 빌딩의 밑바닥에 닿아 쌓여 있는 와이어 로프

131: 평형추 권양기를 대체하여 체인 또는 발을 끌어 올릴 수 있는 바퀴(풀리) 또는 체인톱니바퀴

132: 체인 또는 발을 적당한 위치에 쌓이도록 유도하는 보조 바퀴(풀리)

133, 135: 체인 또는 발이 상자의 바닥에 닿아 쌓여 있는 모습

134: 평형추를 대체하는 체인 또는 발

136: 상부 상자

137: 하부 상자

138: 체인 또는 발을 끌어 올릴 수 있는 바퀴(풀리)의 축에서부터 상부 상자 위의 체인 또는 발까지의 거리

139: 체인 또는 발이 평형추 역할을 하는 유효한 길이. 상부 상자와 하부 상자가 같은 모양이면 한 쪽에서 줄어든 만큼 다른 쪽에서 늘어나므로 이 길이는 항상 일정하다.

140: 하부 상자에서 쌓여 있는 체인 또는 발이 차지하는 길이

151: 굵게 하여 단위 길이당 무게를 크게 한 체인 고리

161: 자전거에 사용되는 롤러체인의 고리처럼 생긴, 막대를 엮어 발을 만드는 고리

162: 발처럼 엮을 무거운 막대

163: 롤러

171: 발의 양쪽에 설치한 롤러체인에 맞물릴 수 있도록 만든 체인톱니바퀴

172: 체인톱니바퀴 축

181, 191: 흡입

182, 192: 배출

183: 기어

193: 회전자

194: 베인

195: 스프링

200, 201: 베벨기어

202: 유압모터의 축

203, 204: 중간 위치 유압모터

205, 206: 낮은 위치 유압모터

207: 상부 액체 상자에서 중간 위치 유압모터까지의 파이프

208: 중간 위치 유압모터에서 낮은 위치 유압모터까지의 파이프

209: 낮은 위치 유압모터에서 하부 액체 상자까지의 파이프

210: 상부 액체 상자

211: 상부 액체 상자의 액체 표면

212: 하부 액체 상자

213: 하부 액체 상자의 액체 표면

214: 이용할 수 있는 액체의 압력이 작용하는 거리

215, 216: 다른 엘리베이터의 유압모터로 가는 파이프

221: 와이어 로프

222: 평형로프

223: 권양기

224: 권양기의 축

225: 전자 제어 변속기

226: 전자 제어 변속기의 축

227: 평형풀리

228: 평형풀리의 축

229: 평형풀리 고정 기구

231: 버킷

232: 핀

233: 돌기

234: 걸이

235: 롤러체인

241: 체인톱니바퀴 축

242, 243, 244, 245, 246: 보조 바퀴

247, 248: 걸판

251: 롤러체인

252: 빈 버킷

253: 상부 액체 상자

254, 256: 액체 표면

255: 하부 액체 상자

257: 유효 높이

258: 롤러체인의 회전 방향

259: 엘리배이터의 전자 제어 변속기의 축으로 연결

260: 액체가 담겨 있는 버킷

271: 액화기체의 액체 표면

272: 액화기체 상자

273: 액화기체 파이프

274: 액체 위에 있는 액화기체

275: 고압 액체 상자

276, 282: 액체 표면

277, 280: 액체 파이프

278: 유압모터 축

279: 유압모터

281: 상압 액체 상자

D: 케이지 권양기의 축에 연결된 기어의 반지름

E: 평형추 권양기의 축에 연결된 기어의 반지름

K: 기어비로서 케이지 측 기어 반지름에 대한 평형추 측의 기어 반지름으로 E / D와 같다

M: 케이지의 질량

N: 평형추의 질량

P: 승객의 질량

F: 전동기가 작용하는 힘

A: 케이지의 가속도

G: 중력가속도

R: 맞물려 접속되어 있는 슬라이딩 기어의 반지름

S: 맞물려 접속되어 있는 고정 기어의 반지름

엘리베이터는 승객과 화물을 수직 이동시키는 장비로서 주로 전동기를 사용하고 있는데 케이지 자체의 중량과 승객 및 화물의 중량에 따라 많은 전력을 필요로 한다.

엘리베이터가 소비하는 전력을 조금이라도 줄이기 위하여 케이지에 평형추가 도르래를 통해 연결되어 사용되고 있다. 그러나 평형추는 케이지의 중량을 완전히 상쇄할 수가 없다. 그것은 승객과 화물의 무게가 항상 변화하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 목적은 엘리베이터에서 승객과 화물의 무게 변화에 따라 평형추가 케이지, 승객 및 화물의 무게를 최대한 상쇄할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 승객과 화물의 이동에 따른 위치 에너지의 변화를 보존하여 재활용하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 엘리베이터에서 전력의 소비를 최소화 할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 케이지와 평형추를 별도의 권양기에 연결하고 두 권양기의 축을 변속 장치를 통해 연결하는 것으로 한다. 도면에서는 변속 장치로써 전자 제어 변속기를 사용하고 있다. 전자 제어 변속기의 기본적인 기능은 전자 제어장치의 지시에 따라 기어 변속하는 것이다. 고정된 평형추의 무게가 케이지에 작용하는 힘은 맞물려 접속된 변속 기어의 기어비에 따라 달라지게 된다.

도 1과 같이 케이지(1)가 평형추(2)와 도르래(3)을 통해 연결된 경우에 케이지(1)에 작용하는 힘과 가속도 공식은

(M + P + N) × A = -(M + P - N) × G

A = -(M + P - N) / (M + P + N) × G

과 같다. 이 식을 통해서 볼때 P와 M의 합이 N과 같을 때 A는 0이다. 그러나 여기서 P가 증가하여 P와 M의 합이 N보다 커지면 A는 음의 값을 가지며 케이지는 지상으로 가속도를 가지고 떨어진다.

힘 F를 추가하였을 때의 케이지(1)에 작용하는 힘과 가속도 공식은

(M + P + N) × A = F - (M + P - N) × G

F = (M + P + N) × A + (M + P - N) × G

과 같다. 힘 F의 성분 중에서 (M + P + N) × A는 가속 또는 감속으로 발생하는 것이고, (M + P - N) × G는 가속이나 감속과 상관없이 중력으로부터 발생하 며 정지해 있을때에나 등속 운동을 할 때에도 작용하는 힘이다. 이 식으로부터 M, N, P와 A가 커질수록 큰 F가 필요한 것을 알 수 있다. (M + P - N)의 값이 0이 된다면 G에 의해 발생하는 부분을 없앨 수 있음을 알 수 있다. 또한 M과 N이 고정되고 P가 변화될 경우 (M + P - N) × G를 줄이는 데에는 한계가 있음을 알 수 있다.

도 2에서는 케이지(11)를 권양기(5)에 연결하고 평형추(12)를 별도의 권양기(6)에 연결한 후, 두 권양기의 축을 기어(7)와 기어(8)을 통해 맞물려 접속한다. 두 권양기(5, 6)의 바퀴의 지름은 계산의 편의를 위해 여기서는 같은 것으로 한다. 여기서 케이지(11)에 연결된 권양기(5)의 축에 연결된 기어(7)에 대한 평형추 권양기(6)의 축에 연결된 기어(8)의 반지름의 비를 기어비 K라고 정의한다. 도 2의 기어비 K는 K = E / D 이며, 케이지(11)에 작용하는 힘과 가속도 공식은

(M + P + N / K) × A = -(M + P - N / K) × G

A = -(M + P - N / K) / (M + P + N / K) × G

과 같다. 평형추 측의 기어가 클수록 즉 K가 클수록 N의 무게 효과가 적게 작용하게 됨을 알 수 있다.

힘 F를 추가하였을 때의 케이지(11)에 작용하는 힘과 가속도 공식은

(M + P + N / K) × A = F - (M + P - N / K) × G

F = (M + P + N / K) × A + (M + P - N / K) × G

과 같다. M과 N이 고정되고 P가 변화할 경우에도 K를 조정함으로써 (M + P - N / K) × G의 값을 줄일 수 있게 됨을 알 수 있다.

엘리베이터를 움직이는데 필요한 에너지는 엘리베이터를 움직이는 일의 공식 에서 얻을 수 있는데 일은 W = F × S (여기서 W는 일, S는 F의 힘을 계속 작용하며 이동한 거리. W의 단위: J, F의 단위: N, S의 단위: m)이므로 에너지의 소비는 F에 비례하게 된다.

수식만으로 느낌을 갖기 어렵기 때문에 예를 통하여 에너지 절약이 일어나는 과정을 보기로 한다. 1층 사이의 높이가 3.2미터인 건물에서, 먼저 10층을 올라가서 32미터를 올라갈 경우를 계산하여 보기로 한다. 엘리베이터의 출발과 도착 때의 가속도는 2m/sec²이라 하고 최고 속도는 240m/min (4m/sec)이라고 정한다.

엘리베이터가 출발에서 가속도 2m/sec²로 움직이면 2초 후에 최고 속도 4m/sec에 달하며 이후 가속 없이 등속 운동을 하다가 출발 후 8초에 28m의 높이에 갔을 때부터 감속을 2m/sec²로 하면 출발로부터 10초 후에 32m 높이에 도착하며 정지하게 된다.

도 1에 있는 엘리베이터에 적용하여 투입된 일의 계산은

0 - 2초 사이

F1 = (M + P + N) × 2 + (M + P - N) × 9.8

W1 = F1 × 4

= (M + P + N) × 8 + (M + P - N) × 39.2

2 - 8초 사이

F2 = (M + P + N) × 0 + (M + P - N) × 9.8

W2 = F2 × 24

= (M + P - N) × 235.2

8 - 10초 사이

F3 = (M + P + N) × -2 + (M + P - N) × 9.8

W3 = F3 × 4

= (M + P + N) × -8 + (M + P - N) × 39.2

이며, 전체 0 - 10초 사이는

W = W1 + W2 + W3

= (M + P + N) × 8 + (M + P - N) × 39.2

+ (M + P - N) × 235.2

+ (M + P + N) × -8 + (M + P - N) × 39.2

= (M + P - N) × 313.6

이다.

동일한 엘리베이터를 이용하여 위로 5층을 이동할 경우, 동일한 계산식을 적용한 결과

W = (M + P - N) × 156.8 (16m)

과 같은 수식을 얻을 수 있으며, 15층의 경우

W = (M + P - N) × 470.4 (48m)

과 같다.

이번에는 본 발명에 의한 기어비 K를 갖는 기어를 적용한 엘리베이터에 대해 동일한 계산을 하면 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.

10층 32m를 움직인 경우: W = (M + P - N / K) × 313.6

5층 16m를 움직인 경우: W = (M + P - N / K) × 156.8

15층 48m를 움직인 경우: W = (M + P - N / K) × 470.4

보다 구체적인 결과를 보기 위하여 승객 1명의 무게를 60kg, M과 N을 1000kg으로 하여 승객 2명, 5명, 10명, 15명, 20명이 5층, 10층, 15층을 이동하였을 때의 에너지 투입분을 모두 계산하면 (단위: J)

[표 1]

N의 무게를 조금 달리하여, 승객 1명의 무게를 60kg, M을 1000kg, N을 1600kg으로 하여 승객 2명, 5명, 10명, 15명, 20명이 5층, 10층, 15층을 이동하였을 때의 에너지 투입분을 모두 계산하면

[표 2]

과 같다. 위에서 10명의 경우에 0의 값이 나오는 것은 마찰에 의한 손실 등 이 고려되지 않고, 에너지 보존이 되는 물리적 공식에 의한 계산이기 때문이다. 케이지와 평형추 측이 평형을 이루었기 때문에 중력에 의한 힘은 0으로 작용하고 있어 출발시킬 때에 필요한 가속도를 위한 힘이 정지시킬 때에 필요한 감속과 상쇄되고 있기 때문이다. 이 경우에 실제로는 가속을 시킬 때와 감속을 시킬 때에도 에너지가 필요하다.

이것으로 N의 무게에 따라 전체의 합계는 많이 달라지는 것을 알 수 있다. 그러나 N은 엘리베이터가 가동 중에 쉽게 바꿀 수 있는 것이 아니기 때문에 엘리베이터를 만들 때에 단 한 번 승객수에 따른 사용 빈도를 함께 고려하여 최적의 상태로 결정하여야 한다.

본 발명에 의한 엘리베이터에서도 동일한 계산을 반복하되 승객의 숫자에 따라 다른 기어비를 적용하여 운용한 결과를 보도록 한다. 먼저 승객 1명의 무게를 60kg, M은 1000kg으로 앞의 시험에서와 같이 하고, N을 2200kg으로 하며, 승객이 2명에서는 K = 2, 승객이 5명에서는 K = 1.7, 승객이 10명에서는 K = 1.4, 승객이 15명에서는 K = 1.2, 승객이 20명에서는 K = 1로 운용한다. 계산한 결과는

[표 3]

동일한 기어비를 갖는 전자 제어 변속기가 장착된 동일한 엘리베이터에서 승 객수를 달리하여 동일한 계산을 반복한 결과는

[표 4]

와 같다. 승객수에 따라서(M + P - N / K)의 절대값이 최소가 되도록 하는 K를 적용하면 최소의 에너지를 들이고 이동시킬 수 있다는 결론이 나온다.

이상의 간단한 예를 볼 때 본 발명에 의한 엘리베이터가 에너지를 114778J과 397018J을 소비할 때에 기존의 엘리베이터는 2935296J과 1580544J를 소비하여 10배 가량의 에너지 소비에 차이가 발생함을 볼 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에 의한 변속 장치의 적용이 엘리베이터의 가동 중에 평형추의 중량 자체를 바꿀 수는 없지만 케이지에 작용하는 평형추의 중량을 엘리베이터의 가동 중에 승객과 화물에 따라 달리할 수 있게 하는 것으로써 평형추의 중량을 바꾸는 것과 동일한 효과를 거두게 하는 것이다.

그러나 적용하는 K값을 항상 (M + P - N / K)의 절대값이 최소가 나오도록 할 수는 없다. 설명한 예에서 K의 값이 클수록 평형추의 이동 거리가 짧아지는데, K의 값에 따라 케이지의 이동 거리와 대비한 평형추의 이동 거리가 다르므로, 경우에 따라서 평형추의 현재 위치가 최적의 K를 적용할 수 없는 위치에 있을 수 있다. 따라서 실제에 있어서 K는 케이지와 평형추의 현재 위치, 승객수, 승객들의 이동 희망 위치들에 따라 다르게 운용하게 된다. 따라서 실제에 있어서는 위에서 비교한 것보다 다소 줄어든 전력 소비 감소가 예상된다.

본 발명에 의한 엘리베이터의 에너지 소비의 감소의 원천은 평형추가 위치에너지를 저장하여 필요 시에 필요한 만큼 사용하는 데에 있다고 할 수도 있다. 종래의 엘리베이터를 보면 케이지가 승객이 만원인 상태에서 최상층에서 최하층까지 이동하면 평형추는 반대로 최하층에서 최상층까지 이동한다. 다음으로 케이지가 빈 상태에서 최하층에서 최상층까지 이동하면 평형추는 최상층에서 최하층까지 이동한다. 즉 이 과정에서 먼저 평형추가 최상층으로 이동하여 저장된 위치에너지가 다음의 이동으로 소용없이 버려지고 마는 것이다. 승객이나 화물도 엘리베이터를 이용해서 올라간 만큼 다시 내려가기 마련이지만 순서가 뒤섞이기 때문에 평형추로서는 큰 위치에너지 저장 능력이 필요하다. 평형추의 위치에너지 보존 능력을 극대화 하기 위하여서는 평형추의 무게를 늘리고 기어비가 높게 하여 이동 거리를 짧게 하는 것이 좋다. 평형추의 무게 N을 11000kg으로 하고 동일한 계산을 반복하되 승객의 숫자에 따라 다른 기어비를 적용하여 운용한 결과를 보도록 한다. 먼저 승객 1명의 무게를 60kg, M은 1000kg으로 앞의 시험에서와 같이 하고, 승객이 2명에서는 K = 10, 승객이 5명에서는 K = 9, 승객이 10명에서는 K = 7, 승객이 15명에서는 K = 6, 승객이 20명에서는 K = 5로 운용한다. 계산한 결과는

[표 5]

동일한 기어비를 갖는 전자 제어 변속기가 장착된 동일한 엘리베이터에서 승객수와 기어비를 달리하여 동일한 계산을 반복한 결과는

[표 6]

에너지의 소비는 비슷한 결과를 얻지만 평형추에 적용되는 기어비가 높아짐으로써 이동 거리를 짧게 할 수 있으며 따라서 엘리베이터의 운용 중에 기어비의 선택에 있어서 평형추의 이동 가능 잔여 거리에 여유가 생겨 유리하게 된다.

도 3은 통상의 엘리베이터에서 일반적으로 사용되는 레일이라든가 케이지의 문(Door), 브레이크와 전동기를 정밀하게 작동하여 케이지를 정확히 이동시키고 멈추기 위한 제어 장치 등 본원 발명과 관련이 없는 전기전자 및 기계적인 부분을 제외시키고, 케이지(31)와 평형추(35), 중량 센서(34), 두 개의 권양기(23, 25), 전동기(27), 전자 제어 변속기(21), 전자 제어장치(29) 등의 상호 관계를 보여 주고 있다. 층별 스위치(39)와 케이지 실내 스위치(33)의 조작에 따른 신호와 중량 센서(34)에 의한 하중 정보와 케이지 위치센서(32)와 평형추 위치센서(37)에 의한 위치 정보가 모두 전자 제어장치(29)에 수집된다. 이러한 정보로부터 전자 제어장치(29)는 운행 방향과 함께 다음으로 가서 멈출 층을 결정하고, 하중과 평형추(35)의 위치 정보를 참고하여 전자 제어 변속기(21)의 맞물려 접속할 기어를 선택한다. 전자 제어장치(29)는 전동기(27)을 제어하여 케이지(31)를 다음의 목표층으로 이동시킨다. 전자 제어 변속기(21)는 도 4에서 보다 상세히 설명되고 있는데, 전자 제어장치(29)로부터 접속 기어를 변경하라는 명령을 받으면 두 브레이크(71, 73)를 통해 두 권양기(23, 25)의 축이 움직이지 못하도록 고정시키고, 슬라이딩 기어(61, 63)를 움직여 기어 접속을 변경하고, 기어 변경이 완료된 후 두 브레이크(71, 73)를 푼다. 브레이크(71, 73)을 사용하지 않고 기어를 바꾸려고 시도하면 기어가 중립의 상태에서 평형추(35)나 케이지(31)가 추락할 수 있다.

도 1에서 보인 평형추(2)의 위치는 케이지(1)의 위치에 따라 정해지며, 둘의 이동 거리도 항상 같다. 그것은 도르래(3)를 사이에 두고 서로 묶여 있기 때문이다.

도 2와 같이 기어를 사용한 경우 케이지(11) 측의 기어(7)에 대한 평형추(12) 측의 기어(8)의 기어비를 K라고 했을 때, 무게 평형을 이루는 기어비와 기어비에 따르는 케이지(11)와 평형추(12)의 이동 거리를 비교해 보면

K = E / D

(M + P) × E = N × D

E / D = N / (M + P)

K = N / (M + P)

가 된다. 이것으로 무게 평형을 이루는 기어비 K는 수시로 변하는 승객의 질량 P에 의해서 변화하지만 평형추(12)의 무게 N이 클수록 커진다는 것을 알 수 있다. 케이지(11)의 이동 거리를 C, 평형추(12)의 이동 거리를 W라고 할 때

C : W = E : D

W = C × D / E

W = C / K

가 된다. 이것으로 평형추(12)의 이동 거리 W는 기어비 K가 클수록 작아진다는 것을 알 수 있다. 기어비 K를 변경하며 엘리베이터를 운용할 경우 그때마다 평형추(12)의 케이지에 대한 상대적인 이동 거리가 달라지기 때문에 평형추(12)의 현재 위치는 케이지(11)의 위치로부터 알 수 없으며 이동 거리 또한 서로 관련이 없고 그때그때의 기어비 K에 따라 다르게 됨을 알 수 있다.

본원 발명에 의한 평형추(35)는 케이지(31)의 위치에 따라 위치가 결정되지 않으며 이동 거리도 어떤 기어를 선택하느냐에 따라 다르다. 평형추(35)의 현재 위치와 이동 거리가 케이지(31)의 현재 위치와 이동 거리와는 독립적인 것으로부터 알 수 있는 것은 기어를 선택하는 데 있어서 무게 평형만을 고려할 수는 없다. 예를 들어 도 4의 엘리베이터가 지상 1층에서 10층까지 운행하고 있고, 현재 케이지는 1층에, 평형추가 5층에 있다고 가정하고 승객이 1층에서 정원 최대까지 탔을 때를 가정한다. 무게 평형을 고려하면 기어비가 가장 낮은 상태로 운행해야 할 것이 다. 케이지(31)와 연결된 권양기(23)의 축에 연결된 기어로서는 지름이 가장 큰 슬라이딩 기어(61)와 평형추(35)와 연결된 권양기(25)의 축에 연결된 기어로서는 지름이 가장 작은 고정 기어(65)가 맞물려 있다면 이런 상태가 될 것이다. 도 4에 있는 전자 제어 변속기(21)는 이 경우 두 기어(61, 65)의 지름(R, S)이 같아 케이지(31)와 평형추(35)의 이동 거리가 같게 된다. 승객의 목적지가 5층이라면 이대로 운행할 수 있다. 그러나 승객의 목적지가 10층이라면 케이지(31)의 이동거리가 현재 5층에서 1층까지 움직일 수 있는 평형추(35)의 최대 이동 가능거리보다 길어 기어비를 달리 할 수 밖에 없어지게 된다. 평형추(35) 측의 기어를 지름이 큰 것을 택할수록 평형추(35)의 이동 거리는 짧아지므로 지름 S가 지름 R의 두 배 이상인 기어(63, 67)를 맞물려야 한다. 지름 S가 지름 R의 두 배인 기어가 맞물렸을 경우 케이지(31)는 1층에서 10층까지 이동하는 동안 평형추(35)는 5층에서 1층까지 이동하게 된다. 문제는 케이지(31) 측과 평형추(35) 측이 무게 평형을 이루지 못하여 전동기(27)가 더 많은 일을 해야 한다는 것이다. 이상을 통해 볼 때에 평형추의 무게가 크고 기어비를 크게 운영할 수 있다면 그래서 평형추의 이동 거리를 짧게 하여 무게 평형 대로 기어비를 운영할 수 있는 경우가 많을수록 엘리베이터 운영에 어려움이 줄고 에너지 절약도 되는 것을 알 수 있다.

위에서 나왔던 공식 중에서 무게 평형을 이루는 기어비에 대한 공식을 다시 살펴보면

K = N / (M + P)

에서 승객의 질량 P의 변화에 따라 무게 평형을 이룰 수 있는 K는 변한다. 그러나 실제 기어 방식의 전자 제어 변속기는 단지 몇 개의 제한된 기어비를 가질 수 있으므로 항상 위의 계산 값과 같은 기어비를 선택할 수 없고 근사한 값을 선택할 수 밖에 없다.

또 선택한 기어비에 따르는 케이지(11)와 평형추(12)의 이동 거리에 대한 공식을 다시 살펴보면

W = C / K

인데, 이것은 다시

K = C / W

와 같다. 이것은 케이지(11)의 이동 거리 C와 평형추(12)의 이동 거리 W에 꼭 맞는 기어비 K에 대한 공식으로 해석할 수 있다. 위에서 든 예에서와 같이 무게 평형을 포기하고 케이지(11)의 이동 거리와 평형추(12)의 이동 가능한 잔여 거리의 비를 통해 기어를 선택하여야 할 경우에도 기어비 K는 위의 공식에 의한 값과 같이 설정할 수 없고, 선택 가능한 기어비는 단지 몇 개의 제한된 기어비 중에서 가장 알맞은 것으로 선택하여야 하는 문제가 있다. 이러한 두 가지 문제들은 무단 변속기 방식의 전자 제어 변속기를 사용하면 해결될 수 있다. 즉 무단 변속기 방식은 무게평형을 이루는 데에도 근사값의 선택이 아니라 계산된 값을 그대로 적용할 수 있게 하며, 이동 거리를 토대로 기어비를 설정하는 데에도 근사값을 선택하지 않고 계산된 값을 그대로 적용할 수 있게 해 주어 조금이라도 더 에너지 낭비를 줄일 수 있게 해 준다.

도 5는 평형추의 수를 2 개로 한 장치를 보여 주고 있다. 그림과 같이 전자 제어 클러치(81, 91) 및 평형추 권양기(88, 98)를 별도로 갖춘 평형추(89, 99)를 사용하면 여러 개의 평형추를 사용할 수 있다. 여러 개의 평형추를 사용할 때에는 선택한 평형추와 선택하지 않은 평형추로 구분하여 운용한다. 예를 들어 하나의 평형추(89)를 선택하였다고 하면, 선택한 평형추(89) 및 평형추 권양기(88)에 연결된 전자 제어 클러치(81) 내부의 두 기어(85, 87)는 맞물려 접속한다. 선택하지 않은 나머지 평형추(99) 및 평형추 권양기(98)에 연결된 전자 제어 클러치(91) 내부의 두 기어(95, 97)는 중립의 상태에 두고 브레이크(93)는 걸어 놓는다. 전자 제어 변속기에서 평형추 권양기가 연결되었던 축에 있던 브레이크는 제거한다. 전자 제어 변속기 내부의 케이지 권양기가 연결된 축에 있는 브레이크와 상기 선택한 평형추에 연결된 전자 제어 클러치 내부의 브레이크는 전자 제어 변속기의 기어가 중립에 있거나 전자 제어장치의 신호가 있을 때에 브레이크를 걸어 각각 케이지와 평형추를 움직이지 않도록 고정한다. 출근 시간이나 퇴근 시간 등과 같이 한쪽 방향으로의 이동이 집중되는 시기에는 선택한 평형추가 밑바닥 층이나 꼭대기 층으로 이동하여 더 이상 무게 평형을 잡아 주는 일을 할 수 없는 상황이 발생하기 쉽다. 이 때에 제 2의 평형추, 제 3의 평형추를 선택하여 계속적으로 케이지의 무게 평형을 이룰 수 있도록 하는 역할을 하도록 한다. 역학적으로 보면 사람들이 빌딩의 상층으로 많이 이동하면 평형추들은 점차 밑바닥 층으로 이동하고, 사람들이 빌딩의 하층으로 많이 이동하면 평형추들은 점차 꼭대기 층으로 이동하여 위치에너지를 보존한다고 볼 수 있다. 위치에너지는 평형추에 의해 잘 보존되고 엘리베이터는 양쪽으로 무게 평형이 잡힌 도르래처럼 동작한다고 볼 수 있다.

도 6에서는 케이지의 바닥과 평형추의 바닥에 와이어 로프를 연결하여 빌딩의 밑바닥에 닿도록 한 모양을 보여 주고 있다. 고층 엘리베이터의 권양기에서 케이지나 평형추까지의 거리 변화가 크기 때문에 와이어 로프의 무게 변화를 무시할 수 없게 된다. 케이지와 평형추의 바닥에 각각 권양기에 연결된 와이어 로프와 같은 와이어 로프를 연결하여 빌딩의 밑바닥에 닿도록 설치함으로써 케이지나 평형추의 위치가 변화해도 권양기에 실리는 무게에 변화가 없도록 할 수 있다. 종래의 엘리베이터에서도 평형로프가 설치되어 사용되었다. 종래의 엘리베이터에서는 케이지의 위치와 평형추의 위치가 상대적으로 일정한 위치에 있게 됨으로써 평형풀리를 사용하여 평형로프가 빌딩의 밑바닥에 닿지 않아도 되고, 전체 평형로프의 길이도 빌딩의 높이를 넘지 않는 길이로 운용할 수 있었다. 그러나 본 발명에 의한 엘리베이터는 케이지의 위치와 평형추의 위치가 독립적이므로 종래의 방식을 더 이상 사용할 수 없게 되었기 때문에 이러한 문제를 해결할 새로운 방식이 필요하였다.

도 7은 도 6의 평형추와 평형추 권양기를 체인 또는 무거운 막대를 엮은 발로 대체한 엘리베이터의 구조를 보여 주고 있다. 발 형태는 종래의 엘리베이터에서 평형추 설치 운행 공간에 설치할 수 있는 장점이 있다. 그림처럼 빌딩의 밑바닥과 빌딩의 꼭대기에 상자를 두어 체인 또는 발을 쌓아 둘 때, 평형추 역할을 할 수 있는 것은 바퀴(131)의 축에서 빌딩의 밑바닥까지의 길이에서 하부 상자에 쌓인 체인 또는 발의 높이(140)를 제외하고, 또 상부 상자의 체인 또는 발의 쌓인 위치에서 바퀴(131)의 축까지의 높이(138)를 제외한 길이(139)의 체인 또는 발에 해당한다. 도 5의 평형추를 두 개 사용하는 방법과 비교하여 보면 평형추를 중간에 바꾸어야 하는 번거로움이 없어지는 것을 알 수 있다. 단순화하고 간단한 예를 들어 살펴보기로 한다. 각 층이 3m 높이인 10층 빌딩에 각 층에 체중이 50kg인 사람이 20명씩 근무하는 빌딩이 있다고 하고, 아침에 모두 출근하여 저녁에 모두 퇴근한다고 할 때, 모두 출근하였을 때의 위치에너지의 증가는

50kg × 20 = 1000 kg

1000 × 3 × 1 + 1000 × 3 × 2 + 1000 × 3 × 3 + 1000 × 3 × 4 + 1000 × 3 × 5 + 1000 × 3 × 6 + 1000 × 3 × 7 + 1000 × 3 × 8 + 1000 × 3 × 9 = 135000 kg중m와 같다. 모든 사람들이 퇴근할 때, 135000 kg중m의 위치에너지 감소가 생기는데 이것을 저장할 수 있는 장치가 필요하다.

135000 / (9 × 3)= 5000 kg

즉 10층에 5000kg을 두게 되면 전체의 위치에너지를 보존할 수 있는 것이다. 1m의 무게가 200kg인 발을 사용한다면 25m의 발이 상부 상자에 있고, 빌딩 높이 27m 만큼의 발이 내려져 있어야 하므로 52m의 발이 있으면 위치에너지를 잘 보존하는 가운데 엘리베이터가 운행될 수 있다. 대략적인 평형추의 무게는 200kg × 27 = 5400kg가 된다. 케이지의 무게를 고려하여 전자 제어 변속기의 기어비를 정할 수 있을 것이다. 케이지의 무게가 1350kg이고 승객이 1350kg까지 탈 수 있다고 한다면 기어비는 4:1에서 2:1사이에서 여러 단계를 만들어야 할 것이다. 발의 단위 길이당 무게를 결정하는 데에 고려할 사항은 증감하는 위치에너지의 크기, 빌딩의 높이, 케이지의 무게, 최대 탑승객 수 등이다.

도 8은 체인을 굵게 만들어 위에서 설명한 것처럼 단위 길이당 필요한 무게 를 만들어 내는 것을 보여 준다.

도 9는 발을 조립하는 모양으로 길고 무거운 막대의 양쪽에 롤러체인을 연결한다. 이러한 조립 후에 옆에서 본 모양이 도 10과 같고, 또 앞에서 본 모양이 도 11과 같다.

도 12는 도 11의 발을 비틀림 없이 움직이기 위한 두 개의 체인톱니바퀴가 설치된 축이다.

도 13는 회전펌프의 일종인 기어펌프이며, 도 14는 베인펌프이다. 이것들은 유압펌프와 유압모터의 역할을 동시에 할 수 있으며, 용도와 형태에 따라 기어펌프, 기어모터, 베인펌프, 베인모터로 불린다.

도 15는 유압모터(203, 204, 205, 206)와 액체를 사용한 장치로서 도 3에서 보인 평형추(35)와 평형추 권양기(25)를 대체하는 방법을 보인 것이다. 도 6의 경우에는 평형추(12), 평형추 권양기(6)와 평형추(12)의 바닥에서 빌딩의 밑바닥까지 닿도록 연결한 와이어 로프(126, 128)를 대체한다.

여기서 사용 가능한 유압모터의 종류는 기어모터(도 13)와 같이 유압모터와 유압펌프의 역할을 번갈아 할 수 있는 장치라야 한다. 또 이러한 유압모터는 기어모터(도 13)의 경우와 같이 배출량이 유압모터 축의 회전수와 일정한 비례 관계에 있어야 한다. 유압모터의 회전력은 액체의 압력에 비례하고, 유압모터의 단위 회전당 배출량에 비례한다. 즉 작용하는 압력이 강할수록 그리고 유압모터의 용량이 클수록 더 큰 회전력을 낸다.

유압모터의 직렬 연결은 전지를 직렬로 연결하여 전압을 올리는 것과 비슷한 효과를 낸다. 하부 액체 상자에서 상분 액체 상자까지의 높이가 클 경우 액체 전체의 압력을 여러 개의 유압모터로 분산할 수 있게 되며, 또 높은 위치까지 액체를 끌어 올릴 수 있게 된다. 즉, 하부 액체 상자의 위치에서 상부 액체 상자의 위치까지 거리를 이등분 또는 삼등분한 위치에 유압모터를 배치하고, 액체 파이프를 직렬 연결하고, 유압모터의 축을 서로 연결하면 이러한 효과를 볼 수가 있으며, 연결된 유압모터 축의 회전력은 각각의 유압모터의 회전력을 합친 것과 같다.

유압모터의 병렬 연결은 전지를 병렬로 연결하여 전류를 늘려주는 것과 비슷한 효과를 낸다. 액체의 압력이 동일한 위치에 배치한 여러 개의 유압모터 축을 서로 연결하고, 액체 파이프를 각각의 유압모터에 병렬로 연결하였을 때, 유압모터 축이 가지는 회전력은 각각의 유압모터의 회전력의 합과 같다. 유압모터 축의 단위 회전당 전체 액체 배출량이 병렬 연결된 유압모터의 수만큼 증가하기 때문이다. 도15의 모든 유압모터(203, 204, 205, 206)의 축(202)은 연결되어 있기 때문에 이 축의 회전력은 각각의 유압모터(203, 204, 205, 206)의 회전력의 합과 같다.

유압모터(203, 204, 205, 206)의 직렬 연결을 통해 상부 액체 상자(210)에서 하부 액체 상자(212)까지의 전체 액체 압력을 고루 분산하고, 병렬 연결을 통해 필요한 평형추의 역할을 할 수 있는 충분한 회전력을 내는 데에 필요한 충분한 액체 배출량을 낼 수 있도록 장치한다. 일단 이렇게 설치된 유압모터(203, 204, 205, 206) 장치는 유압이 일정하기 때문에 항상 일정한 회전력을 제공한다. 또 이러한 회전력은 액체가 흐르는 방향이나 유압모터의 축이 회전하는 방향과 무관하게 동일한 크기, 동일한 방향으로 작용한다. 이것은 마치 중력 때문에 물체를 들어 올리는 중이나 물체를 들어 내리는 중에 항상 아래로 동일한 중력이 작용하고 있는 것과 같다. 서로 연결된 유압모터의 축(202)은 전자 제어 변속기 내부의 맞물린 기어(7, 8)을 통해 케이지 권양기(5)에 연결되는데, 전동기(27)의 회전방향에 따라 케이지(11)의 이동방향과 유압모터 축의 회전방향과 액체가 흐르는 방향이 결정된다. 승객이 위로 올라가면 액체는 아래로 내려가고, 승객이 아래로 내려가면 액체는 위로 올라간다. 승객의 무게에 따라 전자 제어 변속기 내부의 맞물린 기어(7, 8)를 조정할 수 있다. 케이지(11)가 동일한 속도로 이동하여도 기어 변속에 따라 유압모터 축(202)의 상대적인 속도가 달라지며, 승객수가 증가할수록 기어 변속을 달리하여 액체가 이동하는 속도가 빨라진다.

이상적인 유압모터와 전자 제어 변속기를 사용하여 에너지 손실이 없다고 가정한다면, 승객의 이동에 따른 위치에너지의 변화가 액체의 위치에너지 변화로 나타날 것이다. 일반적인 위치에너지의 공식은

M × G × H

(M 질량, G 중력 가속도, H 높이)

이다. 70kg인 승객 10명이 10m를 올라갔다면 7000kgm중 위치에너지가 증가한다. 하부 액체 상자에서 상부 액체 상자의 위치가 100m이고 액체의 1L (Liter) 무게가 1kg이라고 하면 70L의 액체가 아래로 이동하게 (70 × 1 × 100 = 7000kgm중)될 것이다. 동일한 수의 승객이 반대 방향으로 10m 움직인다면 70L의 액체가 위로 이동한다. 이렇게 볼 때 이러한 장치는 승객의 위치에너지 변화를 대응하는 액체의 위치에너지 변화로 변환하여 위치에너지를 저장하여 재활용한다고 할 수 있다. 여 기서 잠시 케이지(11)의 무게를 고려하지 않았었다. 케이지(11)의 무게를 고려해 보면 항상 같은 케이지의 무게가 오르락내리락하게 되는데, 액체의 대응하는 이동으로 항상 상쇄하게 할 수 있으나, 케이지의 무게에 해당하는 만큼 많은 양의 액체를 항상 오르락내리락 이동하여야 하므로 유압모터(203, 204, 205, 206)의 용량이 그만큼 큰 유압모터를 사용하거나 유압모터 축(202)의 회전을 빨리 해야 하는 부담을 갖게 된다. 또 액체 상자(210, 212)도 그 만큼 커야 한다. 이러한 부담을 덜고 변화하는 승객의 위치에너지만큼만 액체의 위치에너지로 변환하여 저장 및 재활용을 하는 방법은 평형추를 유압모터와 병행하여 사용하는 것이다. 이러한 방식을 그린 것이 도 16이다.

도 16에서는 평형추(12)가 설치되어 있는 종래의 엘리베이터에 유압모터(203, 204, 205, 206)와 전자 제어 변속기(225)를 추가하고, 전자 제어 변속기의 축(226)을 베벨기어(200, 201)를 사용하여 유압모터(203, 204, 205, 206)의 축(202)에 연결한 모양을 보여 주고 있다. 케이지(11) 자체의 무게는 고정적인데 이러한 무게는 평형추(12)를 통하여 서로 상쇄시키고, 변화가 많은 승객의 무게를 유압모터(203, 204, 205, 206), 액체와 전자 제어 변속기(225)를 통해 상쇄하는 방법을 사용하는 방식이다. 도 15는 구조가 간단한 대신 큰 용량의 유압모터와 액체 상자를 사용하여야 하는 데 비해 도 16은 구조가 복잡한 대신 작은 용량의 유압모터와 작은 액체 상자를 필요로 한다. 기존의 설치되어 있는 엘리베이터를 개선하는 데에는 도 16의 방법이, 신설 엘리베이터의 경우에는 도 15의 방법이 유리할 것으로 보인다.

변속 장치와 유압모터의 역할을 한 번에 할 수 있는 장치로는 가변용량형모터가 있다. 따라서 전자 제어가 가능한 가변용량형모터를 사용하면 별도의 전자 제어 변속기를 사용하지 않고도 동일한 기능을 수행할 수가 있다.

하나의 빌딩에 있는 여러 엘리베이터들은 상부 액체 상자와 하부 액체 상자를 공유하여 사용이 가능하다.

도 16에서는 종래의 엘리베이터에 사용하는 평형추(12)를 그대로 사용하여 케이지 자체의 무게는 평형추가 상쇄하도록 하고, 변화하는 승객의 무게를 유압모터와 액체와 전자 제어 변속기를 사용하여 상쇄하는 특징을 볼 수 있다. 이렇게 평형추를 동시에 사용한 방식은 도 7의 체인 또는 발과 전자 제어 변속기를 사용할 경우와 도 20에서 설명할 버킷컨베이어와 전자 제어 변속기를 사용할 경우에도 꼭 같이 적용될 수 있다.

도 20에서는 버킷컨베이어를 보여 주고 있다. 버킷은 롤러체인을 따라 움직인다. 롤러체인은 화살표(258)에서 보는 것과 같이 양방향으로 움직일 수 있다. 도 20에서 롤러체인이 화살표(258)의 오른쪽으로 움직이면 상부 액체 상자의 액체가 하부 액체 상자로 옮겨가게 된다. 그것은 보조 바퀴(245)를 지난 버킷에 액체가 담겨서 위로 올라가고, 보조 바퀴(246)와 체인톱니바퀴(241)를 차례로 지나, 보조 바퀴(242)를 지나면 걸판(248)에 버킷의 돌기가 걸려 버킷에 담긴 액체가 쏟아지기 때문이다. 롤러체인이 화살표(258)의 왼쪽으로 움직이면 하부 액체 상자의 액체가 상부 액체 상자로 옮겨가게 된다. 그 과정을 살펴보면, 보조 바퀴(242)의 아래를 지나 체인톱니바퀴(241)을 향할 때에 버킷에 액체가 담기며, 액체가 담긴 버킷은 체인톱니바퀴(241), 보조 바퀴(246)과 보조 바퀴(245)를 지나게 된다. 액체가 담긴 버킷은 보조 바퀴(244)를 향해 올라갈 때에 버킷의 돌기가 걸판(247)에 걸려 버킷에 담긴 액체가 쏟아지게 된다. 이상으로 롤러체인의 회전방향에 따라 액체의 이동 방향이 정해진다는 것을 확인할 수 있었다.

체인톱니바퀴(241)의 입장에서 볼 때에는 항상 많은 수의 버킷에 액체가 담긴 상태로 매달려 있기 때문에 큰 회전력을 받고 있게 된다. 이러한 회전력은 앞에서 설명한 여러 가지 모델의 엘리베이터에 적용될 수 있다. 도 7의 체인톱니바퀴(131)은 도 20의 체인톱니바퀴(241)로 대체할 수 있다. 단지 그림에서 회전 방향만 바꾸어 주면 된다. 도 15와 도 16의 베벨기어(200)는 도 20의 체인톱니바퀴(241)의 축에 베벨기어를 단 후에 그대로 접속 연결될 수 있다. 여기서 유압모터를 사용하는 방법과 버킷컨베이어를 사용하는 방법을 비교해 보면 액체를 위로 이동하여 위치에너지를 저장하는 원리는 결국 같은 것을 알 수 있다. 다만 기계적 마찰에 의한 에너지 손실과 구조의 복잡성과 관리 및 설치 비용 등이 선택의 기준이 될 것이다.

빌딩의 내부에 그것도 빌딩의 꼭대기에 큰 액체 상자를 두는 것은 빌딩의 안전에 영향이 있고, 꼭대기 근처에 사용 가능한 공간이 없는 빌딩도 있다. 또 꼭대기에서 빌딩의 밑바닥까지 액체 파이프를 설치하는 것도 번거롭다. 빌딩의 밑바닥처럼 낮고 하부 액체 상자와 가까운 곳에 상부 액체 상자를 설치할 수 있으면 여러 가지 장점이 있다. 그 중에 하나가 액체 상자의 저장 용량을 필요한 만큼 얼마든지 크게 할 수 있다는 것이다.

암모니아, 암모니아와 수증기의 혼합물, 이산화탄소, 이산화황, 염소, 프로판등은 상온에서 액화가 가능하며 각기 다른 임계압력의 특성을 가지고 있다. 이러한 기체 중에서 하나를 선택하여 액화기체 상자(272)에 담고 액화기체 파이프(273)를 통해 고압 액체 상자(275)의 상부에 연결한다. 선택한 기체에 따른 증기압이 고압 액체 상자(275)에 작용하여 고압 액체 상자(275)의 내부는 액체의 양과 무관하게 항상 일정한 압력을 유지하게 된다. 즉 고압 액체 상자(275) 내부에서 액체의 양이 줄면 기체가 있는 위 공간이 늘어나 압력이 떨어지고, 압력이 떨어지면 액화기체가 기화하여 압력을 증가시킨다. 반대로 액체의 양이 증가하면 기체가 있는 위 공간이 줄어들어 압력이 올라가고, 압력이 올라가면 기체는 액화하여 압력이 떨어져서 일정한 압력을 유지하게 된다. 액체는 액체 파이프(277)을 통해 연결된 유압모터(279)에 일정한 압력을 작용하게 된다. 유압모터(279)를 통과한 액체는 상압 액체 상자(281)의 바닥으로 연결된 액체 파이프(280)을 통해 상압 액체 상자(281)로 들어간다. 기체는 액체에 잘 녹지 않아야 하고, 임계압력이 큰 것을 선택하는 것이 높은 압력을 얻는 데에 유리하다. 이와 같은 장치를 통하여 낮은 곳에 설치한 액화기체 상자와 고압 액체 상자가 도 15와 도 16의 높은 곳에 설치한 상부 액체 상자를 대체할 수 있다. 여러 물질들의 임계온도와 임계압력을 살펴보면 암모니아 132℃, 111.2기압, 이산화탄소 31℃, 72.8기압, 이산화황 157.2℃, 77.7기압, 염소 144℃, 76기압 등이다. 이런 물질들은 상온에서 임계 압력 이상으로 압력을 높게 가하면 액화하고, 증기압을 유지한다.

도 23은 종래의 엘리베이터에서 도 21의 장치를 사용하는 다른 방법으로, 종래의 평형풀리를 변경하여 평형풀리에 평형풀리 축을 연결하고, 평형풀리 축에 전자 제어 변속기를 연결한 다음, 전자 제어 변속기의 한 축에 도 21의 유압모터를 연결하여 도 21의 장치를 사용하고 있는 모습을 보여 주고 있다. 이렇게 하였을 때의 장점은 빌딩의 꼭대기에서 빌딩의 밑바닥까지 액체 파이프를 설치하는 것을 피할 수 있을 뿐만 아니라, 유압모터의 위치에서 빌딩의 꼭대기까지 유압모터 축을 연결하는 것도 피할 수 있다는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 엘리베이터는 기존의 엘리베이터에 비해 많은 전력의 절약을 가능하게 할 것으로 예상하며, 많은 빌딩들이 에너지 소비감소를 가능하게 할 것이다.

이상 설명한 내용을 통해 당 업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims

엘리베이터의 케이지를 케이지 권양기에 연결하고, 평형추를 평형추 권양기에 별도로 연결한다;

상기 케이지 권양기의 축을 전동기와 전자 제어 변속기의 한 축에 연결한다;

상기 평형추 권양기의 축을 상기 전자 제어 변속기의 다른 한 축에 연결한다;

상기 전자 제어 변속기의 선택된 기어가 맞물려 있는 상태에서, 상기 케이지와 상기 평형추는 서로 반대 방향으로 움직이도록 연결된다;

상기 전자 제어 변속기는 전자 제어장치의 신호에 따라 기어비를 변경한다. 또, 전자 제어 변속기는 내부에 전자 제어 변속기의 두 축을 정지할 수 있는 각각의 브레이크를 가지고 있어서 기어를 변경하기 위해 기어가 중립상태에 있거나 전자 제어장치의 신호가 있을 때에 각각의 축의 회전을 정지시킨다;

상기 케이지와 상기 평형추에 있는 각각의 위치센서는 각각의 현재 위치를 상기 전자 제어장치에게 알려 준다;

상기 케이지 바닥에는 중량 센서가 설치되어 승객과 화물의 무게를 상기 전자 제어장치에게 알려 준다; 및

상기 전자 제어장치는 상기 케이지와 승객의 합한 무게와 상기 평형추의 무게를 평형에 이르게 할 수 있는 기어비를 선택하여 상기 전자 제어 변속기를 조정하고 상기 전동기를 가동하여 상기 케이지를 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 1항에 있어서,

케이지를 케이지 권양기에 연결하는 와이어 로프와 같은 와이어 로프를 케이지의 바닥에 매달고, 와이어 로프의 다른 쪽 끝이 항상 빌딩의 밑바닥에 닿도록 한다; 및

평형추를 평형추 권양기에 연결하는 와이어 로프와 같은 와이어 로프를 평형추의 바닥에 매달고, 와이어 로프의 다른 쪽 끝이 항상 빌딩의 밑바닥에 닿도록 한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 1항에 있어서,

전자 제어 변속기 내부에 사용된 변속기로서 무단 변속기를 사용하는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 1항에 있어서,

별도의 평형추 권양기에 연결된 평형추를 하나 더 추가하여 두 개의 평형추를 사용한다;

고정 기어, 슬라이딩 기어 및 브레이크로 구성된 전자 제어 클러치를 통해 상기 두 평형추 권양기를 전자 제어 변속기에 각각 연결한다. 전자 제어 클러치의 브레이크는 연결된 평형추 권양기의 축을 고정하여 평형추가 움직이지 못하게 하는 역할을 한다;

상기 전자 제어 변속기의 두 축 중에서 케이지 권양기가 연결된 축에 있는 브레이크는 그대로 남겨 두고, 상기 평형추 권양기가 연결된 축에 있는 브레이크는 제거한다;

상기 전자 제어장치는 상기 두 평형추 중 한 번에 하나를 선택한다. 선택한 평형추에 연결된 전자 제어 클러치 내부에 있는 슬라이딩 기어를 고정 기어와 맞물려 접속한다. 선택하지 않은 평형추 권양기에 연결된 전자 제어 클러치 내부에 있는 슬라이딩 기어와 고정 기어는 중립 상태에 두고 브레이크는 걸어 놓는다;

상기 전자 제어 변속기에서 남겨 둔 브레이크와 상기 선택한 평형추에 연결된 전자 제어 클러치 내부의 브레이크는 전자 제어 변속기의 기어가 중립에 있거나 전자 제어장치의 신호가 있을 때 브레이크를 걸어 각각 케이지와 선택한 평형추를 움직이지 않도록 고정한다;

상기 전자 제어장치는 상기 케이지와 승객의 합한 무게와 상기 선택한 평형추의 무게를 평형에 이르게 할 수 있는 기어비를 선택하여 상기 전자 제어 변속기를 조정하고 케이지를 운행한다; 및

상기 전자 제어장치는 상기 선택한 평형추가 상기 케이지와 더 이상 평형을 잡아 줄 수 없는 위치에 갔을 때 다른 평형추를 선택한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 4항에 있어서,

평형추, 평형추 권양기와 전자 제어 클러치를 3벌 이상 사용하는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 1항에 있어서,

평형추와 평형추 권양기를 상부 상자, 하부 상자, 체인 또는 발, 바퀴 또는 체인톱니바퀴로 대체한다;

상기 평형추 권양기가 있던 위치에 상기 바퀴 또는 상기 체인톱니바퀴를 설치하고, 이것에 상기 체인 또는 상기 발을 걸어 빌딩의 밑바닥까지 늘어뜨리고, 바퀴 또는 체인톱니바퀴의 회전에 의해 체인 또는 발이 들어 올려지거나 내려갈 수 있지만 항상 끝이 빌딩의 밑바닥에 닿아 있도록 한다;

상기 상부 상자와 상기 하부 상자는 각각 늘어뜨린 상기 체인 또는 상기 발의 위쪽 끝과 아래쪽 끝 근처에 설치되어 체인 또는 발을 담는 역할을 한다. 바퀴 또는 체인톱니바퀴의 회전에 따라 체인 또는 발은 하부 상자에서 상부 상자로 올라가 쌓이거나, 반대로 상부 상자에서 내려가 하부 상자에 쌓인다;

상기 바퀴 또는 상기 체인톱니바퀴의 축은 전자 제어 변속기의 2개의 축 중에서 케이지 권양기가 연결되지 않은 한 축에 연결된다; 및

전자 제어장치는 케이지와 승객의 합한 무게와 상기 체인 또는 상기 발의 늘어뜨린 무게가 평형에 이르게 할 수 있는 기어비를 선택하여 상기 전자 제어 변속기를 조정하고 전동기를 가동하여 케이지를 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 1항에 있어서,

평형추와 평형추 권양기를 유압모터, 액체, 상부 액체 상자, 하부 액체 상자, 베벨기어 2개, 유압모터와 상부 액체 상자 및 하부 액체 상자를 연결하는 파이프로 대체한다;

전자 제어 변속기의 한 축과 상기 유압모터 축에 상기 베벨기어를 각각 연결한다. 그리고, 두 베벨기어를 맞물려 접속한다;

상기 상부 액체 상자의 액체를 상기 파이프를 통해 빌딩의 밑바닥 가까이에 있는 상기 유압모터에 흡입시켜 액체의 압력을 유압모터를 통해 유압모터 축의 회전력으로 전환한다. 이 회전력을 맞물려 접속된 베벨기어를 통하여 상기 전자 제어 변속기까지 전달한다;

상기 파이프를 통해 흐르는 액체의 이동방향은 상기 유압모터의 회전 방향에 따라 달라진다. 케이지를 위로 움직이게 전동기가 회전하면 상기 전자 제어 변속기와 상기 베벨기어를 통해 연결된 유압모터는 액체를 아래로 흐르게 하는 방향으로 회전한다; 및

전자 제어장치는 케이지 권양기 축의 회전력과 상기 유압모터 축의 회전력이 평형에 가까이 이르게 할 수 있는 기어비를 선택하여 상기 전자 제어 변속기를 조정하고 상기 전동기를 가동하여 상기 케이지를 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 7항에 있어서,

유압모터를 대체하여 축의 회전 속도의 변경이 없이 배출량을 전자 제어할 수 있는 가변용량형모터를 적용한다;

전자 제어 변속기 내부에 브레이크는 남겨 두고 변속기 기능은 제거한다; 및

전자 제어장치는 케이지 권양기 축의 회전력과 상기 가변용량형모터 축의 회전력이 평형에 가까이 이르게 할 수 있는 배출량을 선택하여 상기 가변용량형모터를 조정하고 전동기를 가동하여 케이지를 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속장치를 사용한 엘리베이터.
제 1항에 있어서,

평형추와 평형추 권양기를 버킷컨베이어와 버킷컨베이어를 움직이는 체인톱니바퀴, 빌딩의 꼭대기에 위치한 상부 액체 상자, 빌딩의 밑바닥에 위치한 하부 액체 상자, 액체, 버킷에 있는 돌기를 걸어 버킷을 회전시키는 걸판으로 대체한다;

상기 버킷컨베이어는 롤러체인에 많은 버킷이 달린 구조이다. 버킷은 양 쪽에 있는 핀으로 롤러체인에 달려 있으며, 이 핀을 축으로 버킷이 회전할 수 있다. 또한 버킷에는 돌기가 있어서 버킷이 상기 걸판 곁을 지날 때에 걸판에 돌기가 걸려 버킷이 회전되어 버킷에 담긴 액체를 쏟게 한다;

상기 버킷컨베이어는 상기 상부 액체 상자와 상기 하부 액체 상자 사이에 여러 개의 보조 바퀴와 체인톱니바퀴를 이용하여 설치된다. 체인톱니바퀴는 롤러체인에 체인톱니를 물려서 버킷컨베이어를 회전시키는데, 이 회전방향에 따라 상부 액 체 상자에 담긴 액체가 하부 액체 상자로 옮겨지거나, 반대로 하부 액체 상자에 담긴 액체가 상부 액체 상자로 옮겨진다. 이러한 과정에서 여러 개의 버킷에 담겨 있는 액체의 중력이 체인톱니바퀴에 회전력을 일으킨다;

상기 체인톱니바퀴의 축은 전자 제어 변속기의 두 축 중에서 케이지 권양기가 연결되지 않은 한 축에 연결된다. 케이지를 위로 움직이게 전동기가 회전하면 전자 제어 변속기를 통해 연결된 체인톱니바퀴는 상기 버킷컨베이어가 액체를 아래로 옮기는 방향으로 회전하여 상부 액체 상자의 액체를 하부 액체 상자로 나른다; 및

전자 제어장치는 케이지 권양기 축의 회전력과 체인톱니바퀴의 회전력이 평형에 가까이 이르게 할 수 있는 기어비를 선택하여 상기 전자 제어 변속기를 조정하고 상기 전동기를 가동하여 상기 케이지를 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 6항에 있어서,

종래의 엘리베이터에서 사용하는 평형추를 병용하여, 평형추가 케이지 자체의 무게를 상쇄하도록 한다; 및

체인 또는 발과 전자 제어 변속기는 가변적인 승객의 무게를 상쇄하도록 하여 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 7항에 있어서,

종래의 엘리베이터에서 사용하는 평형추를 병용하여, 평형추가 케이지 자체의 무게를 상쇄하도록 한다; 및

유압모터와 전자 제어 변속기가 가변적인 승객의 무게를 상쇄하도록 하여 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 8항에 있어서,

종래의 엘리베이터에서 사용하는 평형추를 병용하여, 평형추가 케이지 자체의 무게를 상쇄하도록 한다; 및

가변용량형모터가 가변적인 승객의 무게를 상쇄하도록 하여 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 9항에 있어서,

종래의 엘리베이터에서 사용하는 평형추를 병용하여, 평형추가 케이지 자체의 무게를 상쇄하도록 한다; 및

버킷컨베이어와 전자 제어 변속기가 가변적인 승객의 무게를 상쇄하도록 하여 운행한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.
제 7항에 있어서,

상부 액체 상자를 액화기체 상자와 고압 액체 상자로 대체한다;

상온에서 액화가 가능하고, 임계압력이 크고, 액체에 잘 녹지 않는 기체를 상기 액화기체 상자에 담고, 상기 고압 액체 상자에 액화기체 파이프를 통해 연결한다;

상기 고압 액체 상자의 하부에 액체 파이프를 연결하여 유압모터에 연결한다; 및

기체는 상기 고압 액체 상자에 증기압을 작용하여 내부의 액체의 양이 줄거나 늘어나도 일정하게 높은 압력을 유지하게 한다. 고압 액체 상자는 하부 액체 상자와 상대적인 높이 차이가 없어도 유압모터에 일정한 압력을 작용한다; 라는 것을 특징으로 하는 변속 장치를 사용한 엘리베이터.