KR20100083931A - 압력 유체를 이용하여 작동하는 원동기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적은 에너지 공급에 의해 밀폐계를 순환하는 유체의 압력 에너지를 이용하여 큰 동력을 얻을 수 있는 원동기 장치를 제공하는 것을 발명의 목적으로 하고 있으며, 이를 위해 본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 다량의 유체를 수용하는 제1압력탱크와; 상기 제1압력탱크 내의 유체를 외부로 순환시키기 위해 입구부가 제1압력탱크의 하부에 접속되고, 출구부가 제1압력탱크의 상부측을 통해 접속하며, 상기 제1압력탱크의 단면적 보다 작은 단면적을 가지도록 형성되는 유체순환통로와; 상기 제1압력탱크 내에 수용되도록 설치되며, 상기 출구부에 접속되는 제2압력탱크와; 상기 제2압력탱크를 상기 유체순환통로의 출구부를 통해 유체가 유입되는 제1실과, 그 제1실로부터 유체가 도입되는 제2실로 구획하는 격판부재와; 상기 제2실 내에 회전 가능하게 설치하되, 상기 제1실로부터 유입되는 유체의 운동에너지에 의해 일방향으로 회전하게 되는 회전 임펠러와; 상기 회전 임펠러에 회전축으로 접속되어 상기 회전 임펠러를 회전 시키도록 작동하는 모터와; 상기 격판부재에 상기 회전 임펠러 날개들의 뿌리부분에 유체를 분사시켜 회전 임펠러를 회전 시키도록 원형으로 배열되며 벽면을 경사지게 관통하여 형성되는 복수개의 분사공들과; 상기 제2실을 상기 제1압력탱크에 연통하는 연통공과; 상기 제1압력탱크의 상부의 개방부에 설치되어 상기 제1압력탱크 내의 유체에 압력을 가하도록 마련되는 유체누름판과; 상기 유체누름판에 가압력을 작용하는 가압부재와; 상기 유체순환통로의 도중에 설치되어 순환하는 유체의 압력과 유속에 의해 동력을 발생시키는 원동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

원동기 장치, 유체 압력

Description

압력 유체를 이용하여 작동하는 원동기 장치{Prime mover device using pressurized fluids}

본 발명은 밀폐계에서 순환하는 압력 유체의 압력을 이용하여 큰 동력을 얻는 원동기 장치에 관한 것이다.

일반적으로 동력, 예를 들면 전기를 얻기 위한 발전의 형태로서는 물의 낙차를 이용한 수력발전, 연료를 태움으로 얻어지는 화력발전, 핵분열을 이용한 원자력발전 및 바람을 이용한 풍력발전 등으로 구분할 수 있는 것으로서, 계절과 지형적인 영향에 따라 적절한 발전장치를 설치하여 전력을 얻고 있다. 그 중 수력발전은 하천에 댐을 건설하여 수위를 높여 낙차를 얻는 전통적인 발전방법으로써 자연상태를 이용하기 때문에 대기오염과 같은 공해물질을 배출하지 않고 비교적 대용량의 전력을 얻을 수 있고 수자원을 효율적으로 관리할 수 있는 장점이 있으나, 넓은 지역의 수몰을 가져오기 때문에 자연환경이 훼손되고 주거시설의 대규모 이주로 인한 사회문제를 가져오게 되는 부작용이 지적되고 있으며, 화력발전은 석탄이나 중유의 연료를 연소시켜 발생한 열로 물을 가열하여 고온, 고압의 증기를 발생시켜 증기터빈을 통해서 전력을 발생시키는 방식이어서 장소에 구애되지 아니하고 발전설비의 설치가 가능하고 대용량의 전력을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 연료를 연소하였을 때 발생하는 대기오염과 연료로 이용되는 천연자원의 고갈을 가져오는 문제점이 있으며, 원자력발전은 물을 끓여서 증기를 만들고 이 증기로서 터빈을 돌려 발전을 한다는 점에서는 일반 화력 발전방식과 다를 바 없지만, 물을 끓이기 위한 에너지원 공급방식을 화력발전에서는 보일러 내에서의 연소반응에 의존하지만 원자력발전에서는 원자로 내에서의 핵분열 반응에 의존한다는 점에서는 차이가 있는 것으로서, 원자력발전 방식은 다른 발전방식에 비해 초기 건설비용이 높은 편이나, 연료비가 월등히 싸기 때문에 발전소의 긴 수명기간을 통해 볼 때 발전비용이 가장 적게 들고, 소량의 연료만으로도 장기간에 걸쳐 발전할 수 있으며 화석연료를 태울 때 나오는 이산화탄소, 아황산가스, 질소산화물 등 유해물질이 방출되지 않기 때문에 온실효과나 산성비로 인한 생태계 위협 요인들을 제거할 수 있어서 지구환경보존 측면에서도 효과적이며, 기술의 특성상 최첨단 기술이 종합되어야 하는 기술집약형 발전방식이므로 과학 및 관련 산업의 발달을 크게 촉진할 수 있는 장점이 있으나 발전과정에서 불가피하게 발생되는 방사선 및 방사선 폐기물을 안전하게 관리 및 처분해야 하기 때문에 필수 안전장치 설치에 따르는 추가비용이 발생하며, 독성이 강하고 수명이 긴 핵폐기물을 장기간 안전하게 관리해야 하는 점 등을 단점으로 들 수 있다.

상기 수력발전, 화력발전 및 원자력발전은 대용량의 전력을 얻는 발전방식이므로 초기 설비 비용이 큰 반면에, 풍력발전은 자연현상인 바람을 이용하여 전력을 얻는 장치로서 설치비용이 저렴하고 가정이나 지역단위로 개별적 발전을 하기 용이 하므로, 바닷가나 산간지역 등 많은 바람이 부는 지역에서 효율성 좋게 소규모로 운영할 수 있는 청정에너지원으로서 최근 각광받고 있다.

상기 풍력발전 방식은 발전기를 풍력에 관계없이 일정한 속도로 회전되도록 제어하지 못할 경우 안정적인 정격전압을 지속적으로 얻기가 곤란하기 때문에, 풍속에 따라 풍차날개의 기울기를 바꾸는 등의 제어를 통하여 안정적인 정격전압을 얻을 수 있도록 연구되고 있으나, 바람이 불지 않거나 계절에 따라 바람이 부는 방향이나 풍속이 일정하지 않을 때에는 전력 생산이 곤란함으로써 설치비 이외의 비용이 거의 없는 가장 친환경적 에너지원임에도 불구하고 대중적 발전 방식으로 정착하기에는 기술적 한계가 너무 많다는 단점이 있다.

즉, 기존의 프로펠러형 풍력발전기는 상기한 바와 같이 풍력에 대해 많은 영향을 갖게 되므로, 바람이 많이 불지 않는 시기나 장소에서는 주변 환경에 대한 사용상의 제약이 뒤따르게 되는 문제점이 있었다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 바람의 풍력에 따라 풍차날개에 과부하가 걸리게 되거나, 또 양력을 받게 되므로 바람의 풍력을 많이 얻을 수 있는 구조인 풍차날개의 폭을 넓게 하지 못할 뿐만 아니라, 풍차날개가 들뜨게 되는 등의 문제점이 있었다.

이에 따라 최근 태양열을 이용한 발전 장치가 미래의 동력원으로 각광 받고 있는 데, 태양열의 경우 에너지원의 고갈 걱정이 없이 무한정 얻을 수 있고 환경 오염이 전혀 없어 가장 자연 친화적인 에너지원이라 할 수 있으나, 단위 면적당 얻을 수 있는 에너지의 양이 작고 태양열 집열판을 설치하는 비용이 많이 들어 경제 성이 떨어지며, 대용량의 전기를 얻기 위해서는 대규모 설치 공간을 요하므로 보조 에너지원 이상의 역활을 기대하기는 곤란한 실정이다.

한편, 현재까지 동력을 얻기 위한 가장 강력한 수단은 내연기관을 들 수 있는 데, 이는 화석 연료, 즉 석유나 가스 및 석탄 등의 연료를 태워 얻은 열에너지를 이용하여 엔진을 작동시켜 동력을 얻게 되나 지표면에 매장된 연료가 조만간 고갈될 예정이므로 대체 에너지원의 개발이 시급한 실정이다.

이에 본 발명은 상기한 점을 고려하여 발명한 것으로서, 작은 에너지 공급에 의해 밀폐계를 순환하는 유체의 압력 에너지를 이용하여 큰 동력을 얻을 수 있는 원동기 장치를 제공하는 것을 발명의 목적으로 하고 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 다량의 유체를 수용하는 제1압력탱크와; 상기 제1압력탱크 내의 유체를 외부로 순환시키기 위해 입구부가 제1압력탱크의 하부에 접속되고, 출구부가 제1압력탱크의 상부측을 통해 접속하며, 상기 제1압력탱크의 단면적 보다 작은 단면적을 가지도록 형성되는 유체순환통로와; 상기 제1압력탱크 내에 수용되도록 설치되며, 상기 출구부에 접속되는 제2압력탱크와; 상기 제2압력탱크를 상기 유체순환통로의 출구부를 통해 유체가 유입되는 제1실과, 그 제1실로부터 유체가 도입되는 제2실로 구획하는 격판부재와; 상기 제2실 내에 회전 가능하게 설치하되, 상기 제1실로부터 유입되는 유체의 운동에너지에 의해 일방향으로 회전하게 되는 회전 임펠러와; 상기 회전 임펠러에 회전축으로 접속되어 상기 회전 임펠러를 회전 시키도록 작동하는 모터와; 상기 격판부재에 상기 회전 임펠러 날개들의 뿌리부분에 유체를 분사시켜 회전 임펠러를 회전 시키도록 원형으로 배열되며 벽면을 경사지게 관통하여 형성되는 복수개의 분사공들과; 상기 제2실을 상기 제1압력탱크에 연통하는 연통공과; 상기 제1압력탱크의 상부의 개방부에 설치되어 상기 제1압력탱크 내의 유체에 압력을 가하도록 마련되는 유체누름판과; 상기 유체누름판에 가압력을 작용하는 가압부재와; 상기 유체순환통로의 도중에 설치되어 순환하는 유체의 압력과 유속에 의해 동력을 발생시키는 원동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 가압부는 탄성스프링이나 중량물을 포함하여 압력을 가할 수 있는 부재로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 회전 임펠러 날개들의 뿌리부분의 원판부에 상기 분사공들로부터 분사되는 유체압을 받아내어 회전력을 얻는 요홈 구조의 집압실이 마련되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 가압부재에 의해 제1압력탱크 내에 압력을 가하는 상태에서 모터를 구동하여 회전 임펠러를 회전시키면 제1압력탱크 내의 유체가 유체순환통로를 통해 순환이 일어나게 되는 데, 압력과 단면적은 반비례하므로, 예를 들어 제1압력탱크와 유체순환통로의 단면적 비가 100:1이라면 유체순환통로를 따라 흐르는 유체의 압력은 100배로 증폭되고 단면적 축소로 유체의 고속 고압의 흐름이 일어나므로, 이 고속 고압의 유체 흐름에 의해 유압모터로 형성되는 원동부가 크게 증폭된 동력을 얻게 되는 것이며, 이 유체는 다시 제1실로 유입된 후 분사공들을 통해 고속으로 분사되어 회전 임펠러를 회전시키게 되며, 이 구동력이 다시 유체의 순환에너지에 보태어지게 되므로 적은 모터 구동력 만을 투입하여 큰 동력을 얻게 되는 효과가 있다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상술한다.

도 1은 본 발명에 의한 유체의 압력을 이용하여 작동하는 원동기 장치를 나타내는 전체 구성도이며, 도 2는 본 발명에 의한 격판부재의 좌측면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 격판부재의 평면도로서, 내부의 경사진 분사공들을 투시 형태로 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 의한 회전 임펠러의 좌측면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 회전 임펠러의 A-A 단면도이다.

도면 중 부호 1은 유체(2)를 수용하고 있는 제1압력탱크(1)로서, 점차 직경이 급하게 좁아지는 하단의 깔대기부(3)에는 유체순환통로(4)의 입구부(5)가 접속되며, 상기 유체순환통로(4)의 출구부(6)는 상기 제1압력탱크(1)의 상부에 접속되어 있어 상기 큰 용량의 제1압력탱크(1)의 유체는 상기 유체순환통로(4)를 통해 계속 순환하는 일종의 밀폐 구조를 형성하고 있으며, 상기 유체순환통로(4)는 강관이나 또는 연질의 고압호스로 형성된다.

상기 제1압력탱크(1)의 상부 개구부에는 유체(2)에 가압력을 주기 위한 유체누름판(7)이 탱크의 축방향을 따라 이동이 가능하게 설치되어 있으며, 통상적 피스 톤 구조처럼 패킹을 통해 기밀하게 탱크(1) 내벽면에 밀착하여 유체의 누설이 방지되게 구성되며, 상기 유체누름판(7)에는 상기 유체(2)에 가압력을 주기 위한 가압부재(8)가 설치되며, 상기 가압부재(8)는 탱크(1) 상부로 형성되는 지지부(9)에 의해 탄발 지지되는 탄발스프링(10) 및/또는 매우 무거운 중량물(11)이나 유압실린더 등으로 형성되며, 상기 유체순환통로(4)의 출구부(6)는 상기 유체누름판(7)을 관통하여 제1압력탱크(1) 내로 도입된다.

그리고 상기 제1압력탱크(1) 내에는 제2압력탱크(12)가 설치되며, 상기 제2압력탱크(12)는 상기 유체순환통로(4)의 출구부(6)에 연통되게 접속하고 있으며, 그 내부에는 2개의 방으로 구획하는, 즉 상기 출구부(6)를 통해 유체가 도입되는 제1실(13)과, 상기 제1실(13)로부터 다시 유체가 분사 도입되는 제2실(14)로 구획하는 격판부재(15)가 설치되어 있고, 상기 제2실(14)에는 회전 임펠러(16)가 회전가능하게 지지 되도록 설치되어 있으며, 이를 위해 상기 회전 임펠러(16)는 회전축(17)을 경유하여 모터(18)에 의해 회전 구동되도록 구성되어 있다.

상기 회전 임펠러(16)는 원판(19)의 일 측면에 복수 개의 나선 날개(20)들이 형성되어 있으며, 상기 각각의 날개(20)들의 뿌리부분에 대향하여 유체를 분사하는 분사공(21)들이 상기 격판부재(15)에 원형으로 배열되게 설치되어 있는 데 이 분사공(21)들은 그의 제1실(13)측 입구(21A)와 제2실(14)측 출구(21B) 위치가 서로 어긋난 형태, 정확하게 설명하면 입구(21A)와 출구(21B)를 잇는 축 선이 원판(19)에 접선 방향에 가깝게, 보다 구체적으로는 출구(21B)를 빠져나와 분사되는 유체가 날개(20)들에 수직에 가깝게 충돌하도록 경사지게 일직선(대략 50∼70 도의 경사각) 또는 비틀린 나선형으로 형성되어 있다.

또 상기 날개(20)들의 뿌리부분에는 선택적으로 집압실(22)이 설치될 수 있는 데, 이 집압실(22)은 삼각형 단면 형상의 요홈 구조물로서 원판(19)을 파서 형성되며, 그의 수직면(23)이 분사공(21)에서 원판(19)에 거의 접선 방향으로 분사되는 유체를 정면으로 받아내어 회전 임펠러(16)를 회전시키게 된다.

그리고 상기한 유체순환통로(4)의 도중에는 원동부(24), 예를 들면 유압모터나 발전기가 설치되어 유체순환통로(4)를 통해 순환하는 유체의 힘에 의해 원동부(24)가 작동하여, 동력을 얻게 되어 있다.

여기서 미설명 부호 25는 제2실(14)과 상기 제1압력탱크(1)를 연통시켜 회전 임펠러(16)에 의해 원심력을 얻게 된 유체를 다시 제1압력탱크(1) 내로 순환되도록 하는 연통공(25)이며, 부호 26은 장치를 지지하는 받침대이다.

이와 같은 본 발명의 원동기 장치의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

장치 내에 유체를 채운 상태에서 유체누름판(7)의 가압부재(8)의 탄성스프링(10)에 의한 탄성력이나 중량물(11)의 하중에 의해 유체(2)에 가압력을 가하는 상태에서 모터(18)에 전기를 공급하여 회전 임펠러(16)를 회전 구동한다. 그러면 제1압력탱크(1) 내의 유체가 펌핑되어 유체순환통로(4)를 통해 순환이 일어나게 된다. 상기한 제1압력탱크(1)에는 가압부재(8(10,11))에 의해 압력이 작용하고 있는 상태인 데 압력과 단면적의 상관식에 의하면 P1*A1 = P2*A2의 관계가 성립( 여기서 P1은 제1압력탱크(1) 내의 압력, A1은 제1압력탱크의 단면적, P2 및 A2는 각기 유체순환통로(4)의 압력과 단면적이다)하므로, 예를 들어 제1압력탱크(1)와 유체순환통 로(4)의 단면적 비가 100:1로 설계되었다면, P2는 P1보다 100배의 크기를 가지게 되며, 유체(2)가 유체순환통로(4)의 좁은 단면적을 통하여 급송되게 되므로 유속 또한 고속이 된다. 이 같은 고압 고속의 유체가 유체순환통로(4)를 통해 순환하면서 최소한 1개 또는 복수개가 직렬 또는 병렬로 배열되는 유압모터로 구성되는 원동부(24)를 지나게 되면 그 고압의 유체압에 의해 원동부(24)가 구동되어 큰 동력을 얻게 되는 데, 이 동력은 모터(18) 구동을 위해 투입된 에너지 보다 단면적 비율에 따라 수배 내지 수백배 증폭된 크기를 가진다. 또 원동부(24)를 구동시킨 후의 유체는 제1실(13)로 유입되어 분사공(21)들을 통해 제2실(14)의 회전 임펠러(16)로 고속으로 분사되어 회전 임펠러(16)를 회전 구동시킨 후 연통공(25)을 통해 제1압력탱크(1)로 들어가 계속 순환되는 과정을 반복하게 된다. 이에 따라 유체 분사압에 의해 회전 임펠러(16)가 회전하기 시작하면 모터(18)의 구동 전력은 구동 초기 보다 더욱 작게 소요된다.

도 1은 본 발명에 의한 유체의 압력을 이용하여 작동하는 원동기 장치를 나타내는 전체 구성도이며,

도 2는 본 발명에 의한 격판부재의 좌측면도이고,

도 3은 본 발명에 의한 격판부재의 평면도로서, 내부의 경사진 분사공들을 투시 형태로 나타낸 도면이며,

도 4는 본 발명에 의한 회전 임펠러의 좌측면도이고,

도 5는 본 발명에 의한 회전 임펠러의 A-A 단면도이다.

※도면 부호의 설명

1 : 제1압력탱크 2 : 유체

3 : 깔대기부 4 : 유체순환통로

5 : 입구부 6 : 출구부

7 : 유체누름판 8 : 가압부재

10 : 탄성스프링 11 : 중량물

12 : 제2압력탱크 13 : 제1실

14 : 제2실 15 : 격판부재

16 : 회전 임펠러 17 : 회전축

18 : 모터 19 : 원판

20 : 날개 21 : 분사공

22 : 집압실 23 : 수직면

24 : 원동부 25 : 연통공

Claims (3)

1. 다량의 유체를 수용하는 제1압력탱크와; 상기 제1압력탱크 내의 유체를 외부로 순환시키기 위해 입구부가 제1압력탱크의 하부에 접속되고, 출구부가 제1압력탱크의 상부측을 통해 접속하며, 상기 제1압력탱크의 단면적 보다 작은 단면적을 가지도록 형성되는 유체순환통로와; 상기 제1압력탱크 내에 수용되도록 설치되며, 상기 출구부에 접속되는 제2압력탱크와; 상기 제2압력탱크를 상기 유체순환통로의 출구부를 통해 유체가 유입되는 제1실과, 그 제1실로부터 유체가 도입되는 제2실로 구획하는 격판부재와; 상기 제2실 내에 회전 가능하게 설치하되, 상기 제1실로부터 유입되는 유체의 운동에너지에 의해 일방향으로 회전하게 설치되는 회전 임펠러와; 상기 회전 임펠러에 회전축으로 접속되어 상기 회전 임펠러를 일방향으로 회전 시키도록 작동하는 모터와; 상기 격판부재에 상기 제1실로부터 상기 제2실 내에 있는 회전 임펠러 날개들의 뿌리부분에 유체를 분사시켜 회전 임펠러를 회전 시키도록 원형으로 배열되며, 격판부재의 벽면을 경사지게 관통하여 상기 회전 임펠러의 원판에 접선 방향에 가깝게 유체를 분사하도록 형성되는 복수개의 분사공들과; 상기 제2실을 상기 제1압력탱크에 연통하는 연통공과; 상기 제1압력탱크의 상부의 개방부에 설치되어 상기 제1압력탱크 내의 유체에 압력을 가하도록 마련되는 유체누름판과; 상기 유체누름판에 가압력을 작용하는 가압부재와; 상기 유체순환통로의 도중에 설치되어 순환하는 유체의 압력과 유속에 의해 동력을 발생시키는 원동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압력 유체를 이용하여 작동하는 원동기 장치
2. 제 1항에 있어서,

   상기 가압부재는 탄성스프링이나 중량물을 포함하여 압력을 가할 수 있는 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 유체를 이용하여 작동하는 원동기 장치
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 회전 임펠러 날개들의 뿌리부분의 원판에 상기 분사공들로부터 분사되는 유체압을 받아내어 회전력을 얻는 삼각형 단면 요홈 구조의 집압실이 마련되는 것을 특징으로 압력 유체를 이용하여 작동하는 원동기 장치

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